Middleware in Echtzeitsystemen nutzen DDS und TSN – Die Kombi macht‘s

Autor / Redakteur: Reiner Duwe* / Michael Eckstein

Die gemeinsame Nutzung von DDS (Data Distribution Service) und TSN (Time Sensitive Networking) bringt schon jetzt wesentliche Vorteile – und überbrückt die Zeit, bis ein standardisierter Ansatz für deren Kombination fertig ist. RTI erklärt, warum.

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Durch die Kombination von DDS (Data Distribution Service) und TSN (Time Sensitive Networking) lassen sich die Vorteile von Middleware- (Layer 5 und 6) sowie Connectivity-Framework-Technologien wie MQTT, DDS, OPC-UA, HTTP / REST in Echtzeitsystemen nutzen.
Durch die Kombination von DDS (Data Distribution Service) und TSN (Time Sensitive Networking) lassen sich die Vorteile von Middleware- (Layer 5 und 6) sowie Connectivity-Framework-Technologien wie MQTT, DDS, OPC-UA, HTTP / REST in Echtzeitsystemen nutzen.
(Bild: ipopba, iStock 1165049242)

Für viele Entwickler-Teams war zu Beginn der 2000er-Jahre klar: Eine Kombination aus drei Buchstaben muss ein Netzwerkprotokoll ergeben, und es entstanden viele „kreative“ Namen für Feldbusse. Doch nicht jede Innovation hatte Bestand, und ebenso wird es einigen der heutigen neuen Technologien gehen. Wird sich TSN auf lange Sicht durchsetzen? Lassen sich frühere Investitionen sichern und vorhandene Systemkomponenten und Applikationen weiternutzen? Können zukünftige innovative Technologien kombiniert und steigende Anforderungen erfüllt werden? Und wann genau ist der richtige Zeitpunkt für eine Entscheidung?

Bei der Kombination von TSN-Standards mit dem datenzentrischen Data Distribution Service (DDS)-Standard halten sich Systemarchitekten und Entwickler gerne alle Optionen offen.

Heutzutage werden Internetanwendungen mithilfe übergeordneter Middleware- (Layer 5 und 6) sowie Connectivity-Framework-Technologien wie MQTT, DDS, OPC-UA, HTTP / REST integriert. Diese Middleware-Technologien isolieren die Anwendungen von den Details der Vernetzung und ermöglichen es, verteilte Systeme zu erstellen, die robust sind und sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln können. Sie erleichtern das Erstellen und Freigeben von Datenmodellen und unterstützen Kommunikationsmuster wie Publish-Subscribe und Remote-Service-Aufrufe, welche die Anwendungsentwicklung vereinfachen.

Viele harte Echtzeitsysteme konnten diese Fortschritte jedoch nicht nutzen. Denn die Middleware- und Netzwerktechnologien konnten nicht das Leistungsniveau oder den Determinismus, wie begrenzte Latenz und Jitter, bieten, was die Anwendung benötigte. Daher mussten dedizierte Lösungen Verwendung finden, darunter spezielle Industrieprotokolle und benutzerdefinierte Netzwerkhardware.

Durch die Kombination von DDS (Data Distribution Service) und TSN (Time Sensitive Networking) lassen sich die Vorteile beider Technologien nutzen.

Überblick: DDS und TSN

Eine Technologie, mit der Echtzeitverkehr über Ethernet bereitgestellt werden kann, bietet TSN. Es ermöglicht die Definition der Timing-Anforderungen für jeden Flow und die Konfiguration der Netzwerkpfade einschließlich Switches, um sicherzustellen, dass die Anforderungen erfüllt werden. Zudem bietet es eine Isolation für verschiedene Flüsse, sodass der Echtzeitverkehr nicht durch andere Kommunikation im selben Netzwerk gestört wird.

Da sich die Technologie jedoch auf einer niedrigen Ebene im Konfigurationsstack befindet, müssen Anwendungen die Flüsse, Paketgrößen, Frequenzen, Prioritäten und Netzwerk-Endpunkte konfigurieren. Während dies für einfache Anwendungen für einige Knoten und Flüsse möglich ist, wird es für komplexere Systeme extrem aufwendig und unübersichtlich.

Eine Technologie zur Integration von Anwendungen, die aus separaten Komponenten bestehen, stellt DDS bereit. Es befindet sich näher an der Anwendung und bietet eine übergeordnete Schnittstelle in Bezug auf Themen, Anwendungsdatentypen und anwendungsrelevante QoS, zum Beispiel Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Priorität und Fristen. Zudem kümmert es sich um Details auf niedrigerer Ebene, wie das Erkennen der Endpunkte und das Einrichten der Kommunikationswege. Während DDS effiziente Binärprotokolle verwendet, kann es kein deterministisches Verhalten garantieren, da es die untergeordneten Netzwerkschichten nicht kontrolliert. Es muss also mit dem leben, was das zugrunde liegende Netzwerk, z. B. UDP/IP, bereitstellen kann.

DDS: Löst Herausforderungen der Echtzeitkommunikation

DDS ist ein von der Object Management Group (OMG) verwalteter offener und internationaler Standard, der sich direkt mit datenzentrischer Publish-Subscribe-Middleware für Echtzeitsysteme befasst. DDS bietet eine umfassende Feinsteuerung der Echtzeitqualität von Service-(QoS)-Parametern, einschließlich Zuverlässigkeit, Bandbreitenkontrolle, Lieferfristen und Ressourcenlimits.

Grundsätzlich ist DDS darauf ausgelegt, die Herausforderungen der Echtzeitkommunikation anzugehen. Das datenzentrierte DDS-Publish-Subscribe-Modell (DCPS) verbindet anonyme Informationsproduzenten (Publisher) mit Informationskonsumenten (Subscriber). DDS definiert eine Kommunikationsbeziehung zwischen Publishern und Subscribern. Die Kommunikation ist im Raum (Knoten können überall sein), in der Zeit (Knoten und Themen) und im Datenfluss entkoppelt. DDS verwaltet explizit die Kommunikations-Datenmodelle oder Typen, die für die Kommunikation zwischen Endpunkten verwendet werden.

Bild 1: Anwendungen kommunizieren in einer datenzentrierten Architektur nicht miteinander. Ein Datenbus wie der RTI Connext Databus implementiert eine datenzentrierte Freigabe, die durch Filtern die richtigen zukünftigen Daten findet.
Bild 1: Anwendungen kommunizieren in einer datenzentrierten Architektur nicht miteinander. Ein Datenbus wie der RTI Connext Databus implementiert eine datenzentrierte Freigabe, die durch Filtern die richtigen zukünftigen Daten findet.
(Bild: RTI)

Es handelt sich also um eine datenzentrierte Technologie, die wie eine Datenbank einen datenzentrierten Speicher bietet und den Inhalt der verwalteten Informationen versteht. Bei DDS dreht sich alles um die Daten. Deshalb wird es auch häufig als Datenbus bezeichnet, wie der Datenbus der RTI Connext DDS Software. (Bild 1)

Bild 2: Ein Datenbus ebenso wie eine Datenbank erleichtern die Systemintegration erheblich und unterstützen eine größere Skalierbarkeit, höhere Zuverlässigkeit und Interoperabilität der Anwendungen.
Bild 2: Ein Datenbus ebenso wie eine Datenbank erleichtern die Systemintegration erheblich und unterstützen eine größere Skalierbarkeit, höhere Zuverlässigkeit und Interoperabilität der Anwendungen.
(Bild: RTI)

Im Kern implementiert DDS ein verbindungsloses Datenmodell mit der Fähigkeit, Daten mit dem gewünschten QoS zu veröffentlichen und zu abonnieren. Der Datenbus erkennt automatisch und verbindet Publisher- und Subscriber-Anwendungen. Es sind keine Konfigurationsänderungen erforderlich, um eine neue intelligente Maschine zum Netzwerk hinzuzufügen. (Bild 2)

TSN: Übertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke

Time Sensitive Network (TSN) bezeichnet eine Reihe von Standards der Time-Sensitive Networking IEEE 802.1-Arbeitsgruppe. Die Standards definieren Mechanismen für die zeitsensible Übertragung von definieren Daten über Ethernet-Netzwerke. Jede Standardspezifikation kann alleine verwendet werden und ist meist autark. Bei koordinierter Verwendung wird TSN als Kommunikationssystem sein volles Potenzial entfalten können.

Dabei gibt es drei Grundkomponenten:
1. Zeitsynchronisation: Alle teilnehmenden Geräte in der Echtzeitkommunikation haben ein gemeinsames, synchronisiertes Zeitverständnis.

2. Zeitplanung und Traffic Shaping: Alle an der Echtzeitkommunikation teilnehmenden Geräte halten die gleichen Regeln bei der Auswahl von Kommunikationswegen und bei der Reservierung von Bandbreite und Zeitfenstern ein, möglicherweise mit mehr als einem simultanen Pfad, um Fehlertoleranz zu erreichen.

3. Auswahl von Kommunikationspfaden, Pfadreservierungen und Fehlertoleranz: Zeitverständnis (siehe Punkt 2).

Bild 3: Zu den wichtigsten DDS-Schnittstellen bei der TSN-Systemkonfiguration gehören das CUC-CNC-Nutzer-/Netzwerkprotokoll und die CUC-TSN-Endpunktschnittstelle.
Bild 3: Zu den wichtigsten DDS-Schnittstellen bei der TSN-Systemkonfiguration gehören das CUC-CNC-Nutzer-/Netzwerkprotokoll und die CUC-TSN-Endpunktschnittstelle.
(Bild: RTI)

DDS und TSN in Kombination

Für das gute Zusammenspiel von DDS und TSN gibt es mehrere Gründe. Grundsätzlich bieten beide Technologien eine ‚One-to-many‘-Kommunikation, die unterschiedliche Zuverlässigkeitsstufen für die unterschiedlichen Datenströme unterstützt. DDS ist explizit als Standard für Echtzeitsystem definiert worden und hat sich in zahlreichen kritischen Anwendungen bewährt. DDS und TSN eignen sich, die hohen Anforderungen in der industriellen Automatisierung und im Automobilbereich zu erfüllen. Wie können DDS-Nutzer davon profitieren, TSN als zugrundeliegendes Netzwerk zu nutzen, und wie kann DDS dabei helfen, das volle Potenzial von TSN zu realisieren?

Höhere Abstraktionsebene: Während sich die Interaktionsmodelle für DDS und TSN durchaus ähneln, da beide grundsätzlich One-to-many-Publish/Subscribe-Technologien sind, resultiert die Verwendung von DDS zusätzlich zu TSN in einem Programmiermodell auf einer höheren Abstraktionsebene. DDS-Nutzer entwickeln ihre Systeme durch das Produzieren oder Konsumieren stark typisierter, vordefinierter Datenelemente. Die Daten-Modellierungskonstrukte, die dafür unterstützt werden, sind vielfältig und modern. Anwendungsentwickler sehen ihre Daten in den Konstrukten der nativen Programmiersprachen, während die Middleware alle untergeordneten Mechanismen wie De-/Serialisierung oder Netzwerkinteraktionen abhandelt.

Einheitlicher Ansatz: Viele Systeme bestehen aus einer Kombination von Subsystemen mit unterschiedlichen Anforderungen und Fähigkeiten. Jedoch erfordern nicht alle Subsysteme ein hartes Echtzeitverhalten, wie es TSN gewährleistet. DDS ermöglicht es, die Infrastruktur in verschiedenen Subsystemen wiederzuverwenden und eine nahtlose Verbindung durch Gateways unter Beibehaltung eines einheitlichen Datenmodells zu ermöglichen. DDS agiert unabhängig von Betriebssystem und Programmiersprache und lässt sich als solche in verschiedenen Umgebungen nutzen. Hier ist das verbindende Element zwischen den Subsystemen das Datenmodell und das vielfältige Ökosystem von DDS. Das vereinfacht die Aufgabe, TSN in ein bestehendes System oder Design einzuführen oder TSN-basierte Systeme um zusätzliche Subsysteme mit unterschiedlichen nicht-funktionalen Anforderungen zu erweitern.

DDS-TSN-Standardisierung

Die Notwendigkeit für einen standardisierten Ansatz für die Kombination von DDS und TSN hat die OMG erkannt, eine entsprechende Standarddefinition befindet sich in Arbeit. Hier werden Aspekte wie die Definition von Standardmechanismen zur Ausführung einer DDS-Laufzeitinfrastruktur über ein TSN-Netzwerk sowie die Beschreibung eines standardisierten Prozesses zum Ableiten von TSN-Netzwerkplanungsinformationen aus DDS-Systembeschreibungen mit einbezogen.

Solche offenen Standards, die allen zur Verfügung stehen, ermöglichen DDS- und TSN-Anbietern künftig eine portierbare, interoperable und herstellerunabhängige Entwicklung von Integrationslösungen.

Quellen

DDS Foundation
IEEE 802.1 TSN Task Group
RTI Real-Time Innovations

* Reiner Duwe ist Sales Manager EMEA bei Real-Time Innovations (RTI)

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