TTEthernet voll in Bewegung - Energie & Technik

TTEthernet voll in Bewegung
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Für den Einsatz in Automobilen, Zügen, Flugzeugen und in der Raumfahrt wurden in der Vergangenheit
viele spezielle Bussysteme entwickelt, welche die Anforderungen in diesen Anwendungsbereichen
besonders gut erfüllen. Für artfremde Aufgaben sind diese Bussysteme zumeist weniger gut geeignet. Über
Jahre hinweg wurden daher in vielen Anwendungen mehrere Bussysteme parallel verwendet. Diese
Heterogenität soll eingedämmt werden. Ein 40 Jahre altes Netzwerk verspricht Abhilfe: Ethernet.
Ethernet wurde Anfang der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts erfunden. Durch die rasante Vernetzung der
Personal Computer und der Verbreitung des Internet erfuhr Ethernet eine explosionsartige Ausbreitung.
Rasch verdrängte Ethernet konkurrierende Netzwerke, wurde laufend weiterentwickelt und ist in unserem
heutigen Umfeld allgegenwärtig.
In den letzten Jahren wurden neue Ethernet-Varianten vor allem für den Einsatz in der Automatisierung von
Maschinen und Produktionsanlagen vorgestellt. Auf diese Weise sollen Büro und Industrie noch enger
zusammenwachsen. Aber auch in sicherheitskritischen Anlagen, in der Energieverteilung, in Autos, Zügen,
Flugzeugen und Raumschiffen verspricht der Einsatz von Ethernet viel Potenzial für neue Anwendungen,
Vereinfachung und Kostenersparnis.

Ethernet klassisch und in der Automatisierung
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Das ursprüngliche Ziel beim Design von Ethernet war es, ein robustes Netzwerk ohne Abhängigkeit von
einer zentralen Instanz zu schaffen. Auch bei Ausfall eines Gerätes oder Netzsegmentes soll die
Kommunikation zwischen den verbleibenden Teilnehmern weiter funktionieren. Neue Teilnehmer sollen sich
ohne viel Konfigurationsaufwand ins Netzwerk einbinden lassen.
Das erste Ethernet war ein Bussystem mit einem Kabel, an dem alle Teilnehmer angeschlossen wurden
(„Shared Medium“). Nach und nach wurde dieses „Shared Ethernet“ (Bus) durch „Switched Ethernet“
vollständig verdrängt.
Ethernet - so wie es heute in der IT verwendet wird - ist ein Netzwerk aus vielen Punkt-zu-Punkt
Verbindungen. Es wird über zentrale Switches zusammengeschaltet, welche die richtige Weiterleitung der
Nachrichten übernehmen. Mit neuen Redundanz- und Routing-Mechanismen schafft man mit „Switched
Ethernet“ Netzwerke mit hoher Verfügbarkeit.
Über die Jahre wurden viele Protokolle implementiert, die eine Vielfalt an Diensten, Anwendungen und
Leistungsklassen abdecken. TCP/IP, http oder RSTP sind die Basis unserer heutigen Bürokommunikation.
Ethernet durchdringt die Automatisierung
Auch in der Industrie- und Prozessautomatisierung hat sich Ethernet durchgesetzt. Vor allem auf der
Leitebene werden die Anlagen seit Jahrzehnten mittels Ethernet vernetzt. Auf Steuerungs- und I/O-Ebene
haben sich dagegen auch aus marktpolitischen Gründen viele herstellerabhängige Feldbusse etabliert.
Mit der Jahrtausendwende wurden erste Ansätze zur Anwendung von Ethernet als Feldbusersatz vorgestellt.
Die große Hürde hierbei war, dass Ethernet ursprünglich nicht für den Echtzeitbetrieb entwickelt wurde.
Echtzeit kann in automatisierten Anlagen, wie beispielsweise der elektronischen Synchronisierung von
Bewegungsabläufen in Maschinen, die Forderung nach Verzögerungszeiten von wenigen 100µs und eine
zeitliche Präzision von unter einer µs bedeuten. Von diesen Parametern hängt maßgeblich die Regelgüte
des Prozesses ab.
Eine weitere Herausforderung war die Übertragung sehr kleiner Datenmengen. Vor allem auf I/O-Ebene sind
typischerweise nur wenige Bits und Bytes zu transportieren. In diesem Fall eignen sich maßgeschneiderte
Feldbusse besser, da Ethernet eine kleinstmögliche Paketlänge von 64 Byte vorsieht.
Steuerungshersteller investieren viel Zeit und Geld, um Ethernet in der Automatisierung einzusetzen, denn
es bestehen eine Reihe von besonderen Vorteilen, die Ethernet im Vergleich zu Feldbussen aufweist:
Nur ein Netzwerk für unterschiedliche Dienste (I/O, Multimedia, Fernwartung, …) und damit verbundene
Kostenersparnis
Verstärkter Einsatz von Web-Technologie in der Automatisierung
Integration und Nutzung etablierter, kostengünstiger IT-Technik

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Reduzierter Schulungsaufwand im Vergleich zu sehr speziellem Feldbuswissen
Durchgängige, nahtlose Kommunikation ohne Systemgrenzen, von der Leitebene zur I/O-Ebene
Reduzierter Wartungs- und Installationsaufwand
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Mittlerweile unterstützen die meisten der vorgestellten Echtzeit-Ethernet-Systeme für die Automatisierung
auch sicherheitsrelevante Anwendungen. Die Schwerpunkte in diesem Bereich liegen auf der sicheren
Erkennung von gefährlichen Zuständen in Maschinen und Anlagen sowie der Verhinderung von Unfällen und
Beschädigungen. Die Sicherheitsanforderungen in der Automatisierung unterscheiden sich jedoch
wesentlich von jenen in Automobilen, Flugzeugen oder Zügen. Können Maschinen in kritischen Situationen
durch die Sicherheitstechnik meist zum Stillstand gebracht werden, so ist dies bei mobilen Anwendungen
nicht immer möglich. Dort muss auch im Fehlerfall ein sicherer Betrieb gewährleistet werden.
Ethernet fährt Auto
Der nächste logische Schritt ist die Verwendung von Ethernet für Funktionen in Automobilen. Mit höchster
Wahrscheinlichkeit wird es sich dabei um die Kommunikation von Daten im Umfeld von Kamerasystemen
handeln. Ein Seriengang einer solchen Anwendung ist noch vor 2015 zu erwarten. BMW
wird im Zeitraum 2014 bis 2015 Ethernet im Fahrerassistenzbereich einsetzen,
wobei Videokameras mit einem zentralen Steuergerät verbunden werden [1].
Allgemein sind typische Anwendungen für Ethernet solche, bei denen
höhere Datenmengen verarbeitet werden. Ein Beispiel dafür sind passive
Sicherheitssysteme wie die Spurhalteassistenz (Lane Departure
Warning). Ein nächster Schritt wird die Verwendung von Ethernet in
aktiven Sicherheitssystemen darstellen. Ein Beispiel dafür ist die
Automatische Notbremsung (Active Brake Assist).
Durch den Einsatz von Ethernet besteht die finanziell sehr interessante Möglichkeit, die Anzahl der
Endsysteme zu reduzieren und mehrere verteilte Funktionen auf wenigen Steuergeräten zu integrieren.
Dieser Ansatz ist nur dann möglich, wenn die Bandbreite ohne statistische Schwankungen des
Netzwerkverkehrs genau und deterministisch aufgeteilt werden kann und Bitraten garantiert werden können.
Auch in der Automobilindustrie gibt es ähnliche Schlüsselfaktoren wie im IT-Bereich, die zum Einsatz von
Ethernet führen. Möglichst viele Funktionen im Automobil sollen in leistungsfähigen Rechnern zusammen
gefasst werden. Die Kosten für die Gesamtarchitektur sollen durch möglichst geringen
Verkabelungsaufwand und vereinheitlichte Komponenten optimiert werden.
Öffnet man die Motorhaube eines modernen Autos der Oberklasse, sind verschiedene Bussysteme (LIN,
CAN, FlexRay, MOST), die bis zu 70 Steuergeräte miteinander vernetzen, keine Seltenheit: Diese
Heterogenität erhöht Kosten, Gewicht und Energieverbrauch. Die vollständige Beherrschung und Wartung
dieser Netzwerke ist nur mit mehreren, ganz speziellen Steuer- und Diagnosegeräten möglich. Die dafür
nötigen Anschaffungs- und Trainingskosten sind für Werkstätten sehr hoch. Um Daten zwischen den

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einzelnen Netzwerken auszutauschen, sind Gateways notwendig. Die Reduktion der Bussysteme könnte zur
Senkung der Entwicklungskosten und Komplexität beitragen.
Darüber hinaus kommen mit dem Beginn der Elektrifizierung des Antriebsstranges und auf Grund der weiter
steigenden Anzahl von Funktionen neue Architekturansätze der Fahrzeugtopologien stärker zum Tragen.
Bereits heute gibt es mögliche Lösungsansätze mit dem Ziel, die Funktionsintegration sowie die Vernetzung
sicherheitsrelevanter Systeme zu erhöhen. Dazu zählen Domainrechnerstrukturen mit hoher
Funktionsintegration und kostenoptimierte Architekturen mit Hinblick auf ein kabelarmes Fahrzeug.
Backbone-Systeme sind dafür ideal geeignet. Eine erhöhte Zuverlässigkeit in der Datenkommunikation kann
für sicherheitsrelevante Anwendungen über redundante Netzwerkpfade realisiert werden.
Das Bussystem Ethernet kann allen diesen Anforderungen zu großen Teilen gerecht werden. Ethernet bietet
ein hohes Maß an vorhandenem Know-how und ermöglicht durch die Wiederverwendung von bereits
bestehenden Software-Stacks kurze Produkteinführungszyklen. Mittlerweile wird im Fahrzeug die
Diagnosefunktionalität und Update-Programmierung über das Internet Protokoll (IP) sichergestellt.
Berücksichtigt man die Reife der Ethernet-Technologie, ist hier Potenzial für die Verwendung in anderen
Anwendungsbereichen mit Bedarf nach höherer Bandbreite durchaus vorhanden. Dazu zählen z.B.
Fahrerassistenzsysteme und Backbone-Lösungen.
Durch den Einsatz von Ethernet besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Endsysteme zu reduzieren und
mehrere verteilte Funktionen auf wenigen Steuergeräten zu integrieren. Dieser Ansatz ist nur dann möglich,
wenn die Bandbreite ohne statistische Schwankungen des Netzwerkverkehrs genau und deterministisch
aufgeteilt werden kann.
Neue Anforderungen an die Datenkommunikation
Die verschiedenen Anwendungen in heutigen und künftigen industriellen Anwendungen stellen
unterschiedliche, zum Teil gegensätzliche Anforderungen an ein Netzwerk:
Determinismus und Zeitverhalten
Daten für hochverfügbare Systeme und strikte Sicherheitsanforderungen müssen mit deterministischem
Zeitverhalten mit geringsten Toleranzen übertragen werden. Diese Regelungssysteme basieren meist
auf synchroner Kommunikation. Die Regelgüte fordert dabei geringste Variabilität der
Nachrichtenlaufzeiten (Jitter).
Daten für Steuerungsfunktionen, die nicht sicherheitsspezifisch sind, stellen weniger restriktive
Anforderungen an das Zeitverhalten. Seltene Verzögerungen werden toleriert und führen nicht zu
kritischen Zuständen. Die Daten treten zumeist nicht zyklisch zu fix vorgegebenen Zeiten auf, sondern
werden bei Bedarf übertragen. Für diese Art von Daten wird normalerweise eine gewisse Bandbreite
reserviert, um eine entsprechende Dienstqualität zu gewährleisten (QoS).

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Eine dritte Klasse von Daten, wie z.B. Informationen zur Diagnose, stellt keine engen Anforderungen in
Bezug auf zeitliche Präzision an das Netzwerk. Komplette Ausfälle sind zumeist unkritisch. Diese Daten
sollen nur dann übertragen werden, wenn es keine zeitkritischen Daten, oder Daten mit reservierter
Bandbreite zu übertragen gilt (best-effort).
Übertragungsbandbreite
Die Steuer- und Regelelektronik in industriellen Anwendungen hat derzeit eine Bandbreitenanforderung
von wenigen MBit/s. Bei Updates, Diagnose oder beim Laden neuer Programme kann der
Bandbreitenbedarf steigen.
Multimediaanwendungen,
Bandbreitenbedarf.
wie Sprach- und Videodaten haben einen deutlich höheren
Auch Diagnose- und Wartungsfunktionen erfordern höhere Bandbreite.
Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit
Sicherheitsrelevante Systeme sind auch im Fehlerfall funktionstüchtig zu halten. Das Netzwerk muss ein
hochverfügbares Redundanzkonzept anbieten.
Für die Vernetzung mancher Sensoren ist es ausreichend, Sicherheit und Verfügbarkeit wie in der
Automatisierung zu realisieren. Die Daten müssen mit ausreichender Sicherheit übertragen werden
können.
Unkritische Anwendungen wie Diagnosesysteme benötigen keine zusätzlichen Verfügbarkeits- und
Zuverlässigkeitsmechanismen. Die Standard-Ethernet Funktionen sind vollkommen ausreichend.
Die Echtzeitlösung TTEthernet
Bei Autos, Flugzeugen oder anderen Fahrzeugen handelt es sich um geschlossene Systeme. Anders als im
Büro, wo Geräte an- und abgekoppelt werden, bleibt die Anzahl der Geräte und die Netzwerktopologie
statisch. Auf dieser Basis lässt sich das Zeit- und Lastverhalten des Netzwerks genau vorherbestimmen.
Dies ist der Kernansatz von TTEthernet [2] das von TTTech Computertechnik AG entwickelt wurde. TT steht
für time-triggered (zeitgesteuert) und bedeutet, dass zeitkritische Nachrichten nach einem genauen Zeitplan
über das Netzwerk transportiert werden. Auf diese Weise lässt sich TTEthernet auch für die höchste
Sicherheitsklasse, bei der das Leben von Menschen von der zuverlässigen Funktion eines Systems
abhängen kann, einsetzen. Darüber hinaus ist TTEthernet offen für alle bekannten, auf klassischem Ethernet
verwendeten Protokolle. Das heißt, dass am gleichen Netzwerk Web-Anwendungen, IP-Sprachübertragung,
Telemetriedaten, Multimediastreams und Diagnoseinformationen übertragen werden können.
Selbstverständlich haben die zeit- und sicherheitskritischen Daten immer absoluten Vorrang.

TTEthernet hebt ab
NASA Orion Raumschiff
Artist’s Concept, Stephan C. Hartman,
Lockheed Martin Corporation
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TTEthernet wird unter anderem als Backbone-System im
NASA Orion Raumschiff, dem Nachfolger des Space Shuttle
[3] eingesetzt. Ausschlaggebend für den Einsatz von
TTEthernet waren die Skalierbarkeit und Konformität
entsprechend internationaler Standards, sowie die
Möglichkeit kostengünstige Komponenten zu verwenden.
Außerdem sind die komplexen Anforderungen verteilter
Systeme in der Raumfahrttechnik sehr gut mithilfe von
TTEthernet realisierbar. Das System gewährleistet die
Integration mit anderen Ethernet-basierten Netzwerken oder
bestehenden Systemen.
Ein weiteres typisches Anwendungsgebiet für TTEthernet sind hochverfügbare Systeme, bei denen ein
Ausfall mit hohen Kosten verbunden ist. Ein Beispiel dafür sind Safety Management Systeme und Offshore-
Windturbinen. Darüber hinaus wird TTEthernet in einer Reihe von Aerospace-Projekten eingesetzt und es
gibt Interesse aus der Medizintechnik und verwandten Bereichen. Diese Anwendungsgebiete haben
Gemeinsamkeiten in ihren Anforderungen: hohe Verfügbarkeit, zeitliche Präzision und unterschiedliche
Dienste auf einem einheitlichen, kostengünstigen, standardisierten Netzwerk.
Drei Kommunikationsklassen
TTEthernet wurde für die reibungslose, parallele Übertragung von Daten mit harten, weichen und keinen
Echtzeitanforderungen, sowie unterschiedlichen Sicherheits- und Verfügbarkeitskriterien geschaffen. Auf
Grund durchgängig kollisionsfreiem Senden und Empfangen von Daten wird die Bandbreite von Ethernet
optimal ausgenützt. Bei TTEthernet werden drei Kommunikationsklassen unterschieden:

Zeitgesteuerte Kommunikation
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Die zeitgesteuerte Kommunikation entspricht dem SAE 6802 Standard [4]. Die Daten werden zeitgesteuert
über das gesamte Netzwerk übertragen. Sender, Empfänger und alle dazwischen liegenden Komponenten
wissen auf Grund eines vorkonfigurierten Fahrplans zu welchem Zeitpunkt welche Daten von wo wohin
übertragen werden sollen. Quittierungen sind nicht notwendig, da der Zeitplan jedem Teilnehmer vorliegt.
Die Bandbreite wird optimal genützt. Fehlende Daten werden auf diese Weise erkannt und das System kann
darauf sicher reagieren.
Diese Kommunikation betrifft vor allem sicherheitsrelevante Systeme, die im Fehlerfall funktionstüchtig zu
halten sind. Das Netzwerk muss im Fall einer zukünftigen elektronischen Lösung ein hochverfügbares
Redundanzkonzept anbieten. Regelungssysteme mit hoher Verfügbarkeit basieren meist auf synchroner
Kommunikation. Die Regelgüte fordert dabei geringste Variabilität der Nachrichtenlaufzeiten (Jitter).
Rate-constrained Kommunikation
Die rate-constrained Kommunikation wird nach dem ARINC 664 Part 7 Standard [5] abgewickelt. Eine
Integration mit AVB (Audio/Video Bridging) wäre aber ebenfalls möglich. Für diese Art von Kommunikation
ist Bandbreite am Netzwerk reserviert. Wenn zu einem Zeitpunkt keine zeitgesteuerte Kommunikation
gebucht ist, kann rate-constrained Kommunikation mit vordefinierter Bandbreite durchgeführt werden. Dieses
Verfahren entspricht in etwa den bekannten QoS (Quality of Service) Mechanismen für Sprach- und
Multimediaübertragung auf Ethernet. Rate-constrained Kommunikation gewährleistet, dass bestimmte Daten
mit einer vordefinierten Bandbreite am Netzwerk übertragen werden können.
Die rate-constrained Kommunikation kann für Anwendungen mit weniger restriktiven Anforderungen
eingesetzt werden z.B. für Audio und Videoanwendungen. Seltene Verzögerungen werden toleriert. Die
Daten treten zumeist nicht zyklisch zu fix vorgegebenen Zeiten auf, sondern werden bei Bedarf übertragen.
Für diese Art von Daten kann eine gewisse Bandbreite reserviert werden, um eine entsprechende
Dienstqualität zu gewährleisten.
Best-effort Kommunikation
Best-effort Kommunikation entspricht dem Standard-Ethernet IEEE 802.3 [6]. In den Intervallen zwischen
dem Versenden der zeitgesteuerten und der rate-constrained Daten, können alle anderen Daten übertragen
werden, bei denen keine Übertragungsqualität (QoS) garantiert werden muss. Sobald aber zeitgesteuerte
oder rate-constrained Daten auftreten, kann die best-effort Kommunikation unterbrochen werden. Ein
Beispiel dafür stellen Diagnosedaten dar, die keine engen Anforderungen in Bezug auf zeitliche Präzision an
das Netzwerk haben. Ausfälle sind unkritisch.
TTEthernet kann als Erweiterung bestehender Ethernetsysteme gesehen werden, denn IEEE 802.3 ist die
Basis von TTEthernet. Dieses wird um zeitgesteuerte und rate-constrained Mechanismen ergänzt. Dadurch
wird nicht nur eine einfache Migration von Standard-Ethernet Anwendungen ermöglicht sondern es können
auch derzeit verfügbare, kostengünstige Ethernet-Controller verwendet werden. Gleichzeitig ist damit die
Unabhängigkeit von der konkreten Implementierung eines Physical Layers gegeben.

Ausblick
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TTEthernet unterstützt time-triggered, rate-constrained und best-effort Kommunikation
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Vor allem bei höherem Bedarf an Bandbreite bieten sich Ethernet-Lösungen an, die 100 MBit/s und
potenziell auch mehr unterstützen können. Entsprechend dem Wunsch nach einem möglichst einheitlichen
Kommunikationsprotokoll mit hohem Wiederverwendungspotenzial wird Ethernet vermehrt Einzug im
Anwendungen mit hohen Anforderungen an Verfügbarkeit und Sicherheit von Systemen finden. Dabei
werden zusätzliche Flexibilität, Kosteneffizienz und die reibungslose Kombination mit anderen Bussystemen
ermöglicht.
Die genannten Kommunikationsklassen von TTEthernet entsprechen sehr gut den Anforderungen an ein
solches Netzwerk. Auf diese Weise öffnet TTEthernet den Einsatz von Ethernet für alle
Anwendungsbereiche. Von klassischen Web-Diensten bis zu zeit- und sicherheitskritischen
Steuerungssystemen stellt das Netzwerk alle dafür notwendigen Dienste zur Verfügung. Durch die
Unterstützung von Standard-Ethernet können bestehende Ethernet-Netzwerke einfach in ein TTEthernet-
Netzwerk migriert werden. Die Netzwerke können mit TTEthernet-fähigen Switches und Endgeräten
schrittweise in Richtung zeit- und sicherheitskritischer Kommunikation erweitert werden. Änderungen an
bestehenden Anwendungen sind nicht notwendig.

Literaturhinweise
[1] The Hansen Report on Automotive Electronics. November 2010.
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[2] TTA-Group: TTEthernet-Spezifikation. 2008. (http://www.ttagroup.org/ttethernet/specification.htm)
[3] Walko, J.: TTTech, NASA Team on TTEthernet for Space Apps. EETimes. 2009.
(http://www.eetimes.com/electronics-news/4195051/TTTech-NASA-team-on-TTEthernet-for-space-apps)
Page 9
[4] SAE: AS6802 – SAE Standards. 2010.
(http://www.sae.org/servlets/works/documentHome.do?comtID=TEAAS2D&docID=AS6802&inputPage=wIp
SdOcDeTaIlS)
[5] ARINC: Specification 664P7-1. 664P7-1 Aircraft Data Network, Part 7, Avionics Full-Duplex Switched
Ethernet Network. 2009. (https://www.arinc.com/cf/store/catalog_detail.cfm?item_id=1269)
[6] IEEE: IEEE 802.3: CSMA/CD (Ethernet) ACCESS METHOD.
(http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html)
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