Time-Triggered Protocol

Nutzen für die industrielle Kommunikation

Der Bedarf an industrieller Kommunikation ist besonders seit den 90er Jahren in Zusammenhang mit der Festlegung von Feldbus-Standards gestiegen. Seitdem wird es als immer notwendiger angesehen, innerhalb eines Systems die einzelnen Netzwerkteilnehmer zu einer Kommunikation anzuregen und zu befähigen. Zur Ordnung einer solchen Interaktion werden seit jeher Protokolle verwendet, deren zahlreiche Unterarten verschiedene Bereiche der Industrie abdecken. Das Time-Triggered Protocol findet sich bei der Eisenbahn-und Flugzeugtechnik, aber auch bei Kraftfahrzeugen an. In diesen Branchen ist es nämlich nötig zeitkritische Signale zu übertragen.

Die Uhrensynchronisation des TTP-Protokolls

Das Time-Triggered Protocol ist eine Art des Protokolls, welches auf der Nutzung von Feldbussen basiert und der Übertragung von Daten dient. Das Besondere an dem TTP ist seine fehlertolerante Kommunikation, die zeitgesteuert zwischen den elektronischen Komponenten vonstattengeht. Zudem werden hier harte Echtzeitanforderungen realisiert. Die Möglichkeit der zeitgesteuerten Übertragung von Daten ergibt sich aus der Synchronisation der Uhren der Teilnehmer, denn als ein einheitliches Signal zur Steuerung wird die gemeinsame Uhrzeit verwendet. Die Gleichstellung der Uhren geschieht dadurch, dass ein Mittelwert gebildet wird, der sich aus der Differenz zwischen der realen Ankunftszeit und der erwarteten Ankunftszeit der Nachricht ergibt. Der sich hieraus ergebene Algorithmus arbeitet dezentral, wodurch sich gegenüber den Einzelfehlern eine Toleranz vom Time-Triggered Protocol ergibt.

Die Kommunikationsaufteilung beim Time-Triggered Protocol

Die Ankunftszeiten, die im Voraus erwartet werden, werden in der MEDL, der „Message Descriptor List“ festgelegt. Durch diese Liste erfährt jeder einzelne Teilnehmer, wann er beginnen darf zu senden und, wann es seine Aufgabe ist etwas zu empfangen. Dies wird dann als TDMA, oder auch „Time Division Multiple Access“ bezeichnet, bei welchem es sich um eine Art der Aufteilung der Kommunikation handelt. Wenn im Netzwerk eine solche Runde vorliegt, dann hat jeder Teilnehmer für sich während einer festgelegten Zeitspanne die Möglichkeit seine Nachricht zu übermitteln. Wenn eine solche Kommunikation beendet ist, kann eine neue starten. Die Übertragungszeit der MEDL dient auch noch der Verhinderung einer Störung des Netzwerks durch einen fehlerhaften Teilnehmer. So kann es vorkommen, dass ein defekter Teilnehmer ohne Unterbrechung Daten sendet, für die es keine Verwendung gibt und die keinen Sinn ergeben. Um die Verstopfung der Kanäle zu stoppen, besitzt jeder Teilnehmer im Time-Triggered Protocol eine Bus-Topologie, die als lokaler Buswächter fungiert, welcher dafür sorgt, dass nur während der festgelegten Zeitspanne übertragen werden kann. Sendet ein Teilnehmer dann eine Nachricht, muss diese zunächst mit einem kleinen Header ergänzt werden, wodurch ein Frame entsteht, der anschließend mittels einer CRC-Checksumme geschützt wird.

Die zweite Komponente vom Time-Triggered Protocol

Bei der herkömmlichen Klassifizierung des TTP-Protokolls handelt es sich um das Time-Triggered Protocol Class C, dennoch gibt es auch die Variante der Class A. Dieses zeitgesteuerte Protokoll dient der echtzeitfähigen Ansteuerung von Sensoren und Aktoren. Zudem ist es auch für Steuergeräte konzipiert, die nicht sicherheitskritisch arbeiten müssen. TTP/A, die technische Schreibweise der Klasse, funktioniert mit einem TDMA-Schema, das für die kollisionsfreie Nachrichtenübertragung zur Verfügung steht. Bei diesem Protokolltyp handelt es sich um ein Master-Slave-System, bei welchem die Kommunikation in Runden und Slots gegliedert ist und, bei welchem in jedem einzelnen Slot exakt ein UART-Wort der entsprechenden Kodierung versendet wird.

TTP/A lässt sich mit dem Universal Asynchronous Receiver Transmitter auf dem Standard eines 8-Bit Mikrocontrollers implementieren, wobei der Layer grundsätzlich austauschbar bleibt. Die UART-Kodierung erfolgt mit

• einem Startbit,
• acht Datenbits,
• einem Paritybit und
• einem Stopbit.

Die Membership-Liste des Time-Triggered Protocol

Bei dem Time-Triggered Protocol kommt neben der TDMA-Runde auch noch der Membership-Service zum Einsatz, wenn es darum geht das Kommunikationsprotokoll für die sicherheitskritischen Anwendungen kompatibel zu machen. Hierbei weist jeder Knoten eine Liste auf, auf welcher die Knoten eingetragen sind, die als fehlerfrei angesehen werden. Kommt es bei den unterschiedlichen Listen zu Unstimmigkeiten, wird der Knoten selbst als fehlerhaft betrachtet und in den passiven Modus versetzt. Sendet ein Knoten einen fehlerhaften Frame, so wird dieser umgehend aus der Liste ausgeschlossen. Bei jeder einzelnen Kommunikation wird dieser Service erneut durchgeführt, um Störungen durch Fehler zu verhindern. Allerdings gibt es bei dieser eigentlichen Sicherungsmaßnahme auch den Nachteil, dass sich Gruppen bilden, die sich untereinander als fehlerfrei ansehen und dann ausschließlich miteinander eine Kommunikation durchführen. Um dieses Risiko jedoch zu unterbinden, wird seitens jedes Knotens zusätzlich noch überprüft, ob er selbst ein Mitglied der größten dieser Gruppierung ist. Kommt ein negatives Ergebnis, also eine Zugehörigkeit heraus, schaltet sich dieser Knoten in den passiven Modus.

Der Nutzen vom Time-Triggered Protocol für die industrielle Kommunikation

Durch die Verwendung eines solchen echtzeitfähigen Protokolls kann innerhalb von industriellen, komplexen Anlagen eine sichere Kommunikation vonstattengehen, da sich die einzelnen Komponenten gegenseitig und selbstständig prüfen und es bei einem Fehler oder gänzlichem Defekt durch keinen anderen Teilnehmer nötig ist, den störenden Knoten zu entfernen, da sich dieser selbst in den passiven Zustand versetzt. Durch diese Verhinderung jeglicher Fehlerquellen mithilfe vom Time-Triggered Protocol ist eine industrielle Kommunikation möglich, die es den Systemen und den Netzwerken ermöglicht, effizient und zielgerichtet zu arbeiten