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ausgesetzt, an jedem Gerät die Funktionalität des Switches zu installieren oder in das Gerät zu integrieren. Durch die Kaskadierung entstehen aber hohe Switch-Anforderungen, da die Datenpakete zwischengespeichert werden müssen, um dann gezielt weitergeleitet zu werden (Store and Foreward). Noch problematischer wird die Situation, wenn durch Priorisierung Telegrammpakete bevorzugt behandelt werden. Die Switch-Technologie steht also bei den industriellen Applikationen vor neuen Herausforderungen, die über die Office-Anforderungen hinausgehen. DER BEDARF AN „GESWITCHTEM“ ETHERNET Das so genannte geswitchte Ethernet ist erforderlich, um Kollisionen zu vermeiden. Diese treten bei dem Zugriffsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) immer auf. Sie werden aber detektiert und alle die Kollision verursachende Teilnehmer hören auf zu senden und senden nach statistischer Zeit erneut (s. Ablaufdiagramm). Das Ethernet-Protokoll basierend auf CSMA/CD schließt durch Kollisionen verursachte Verzögerungen nicht aus. Eins ist unstrittig: Verzögerungen von Datenpaketen durch Kollisionen sind in industriellen Ethernet-Netzwerken nicht akzeptabel. Die Anbieter industrieller Ethernet-Lösungen gehen deswegen unterschiedliche Wege, um diese Kollisionen durch das Protokoll zu verhindern oder durch den Einsatz von Switchen die Übertragungsphysik zu überlisten. 1. Zyklischer Ethernetbetrieb unter Vermeidung von Standard Ethernet Kommunikation (z.B. PowerLink Protected Mode oder EtherCat) 2. Standard Ethernet und zusätzliche Echtzeitmechanismen (z.B. PROFInet, Ethernet IP) 3. Oder die Kombination der Mechanismen aus 1 und 2 (z.B. PROFInet) Es besteht demnach entweder die Philosophie, nicht gleichzeitig zu senden und damit Kollisionen zu verhindern oder durch Zwischenspeichern die Sendungen in eine zeitliche Reihenfolge einzugruppieren. Wenn Kollisionen im Standard Ethernet grundsätzlich zugelassen sind, kann nur durch Switche die Gleichzeitigkeit der gesendeten Telegrammpakete aufgehoben werden, indem diese zwischengespeichert werden. Wo im ersten Fall das Ethernet-Zugriffsverfahren CSMA in Richtung etablierter Feldbusse ergänzt wird und damit die Protokolle zu Standard-Ethernetgeräten nicht kompatibel sind, ist bei der Nutzung von Standard-Ethernet Mechanismen grundsätzlich die Ablaufdiagramm CSMA/CD Kommunikation mit allen TCP/IP-Geräten unkritisch. Interessanterweise erlauben Ethernet-Protokolle mit zyklischem Betrieb auch nichtzyklische Kommunikation, für die dann wieder ein Switch optimal ist (z.B. PowerLink Open Mode), und auf geswitchtem Ethernet basierende Systeme auch zyklische Kommunikation auf einem geschützten Kanal (z.B. PROFInet bei IRT). Zusammenfassend dargestellt, ist bei allen Protokollen, die das CSMA/CD-Zugriffsverfahren außer Kraft setzen, ein Switch in der Regel nicht notwendig. Bei heterogenen Systemen, in denen wiederum Kollisionen auftreten können, kann ein Switch gute Dienste leisten. Folgende Tabelle gibt einen Überblick, bei welchen Systemen der Switch einsetzbar ist. Im Zusammenhang von Kollisionen wird oft das Thema Echtzeit bemüht, das an die Diskussionen in Richtung Antriebstechnik bestehender Feldbusse anknüpft. Da die meisten Feldbusse keine für Antriebslösungen ausreichende Bandbreite besitzen, wird Fast 18 HARTING tec.News 12-I-2004
Ethernet als der Stein der Weisen angesehen. Auf Basis der hohen Geschwindigkeit sind dann Kollisionen als statistische Ausreißer zu betrachten. System PROFInet Switch möglich Switch nicht möglich Switch verbessert Performance Ethernet IP X X Powerlink EtherCat X Open Mode X eingeschränkt X Protected Mode X Open Mode Im Office stellt sich erst sekundär die Problematik der Echtzeitfähigkeit. Erst durch Applikationen im multimedialen Bereich erlangte das Thema Echtzeit eine Bedeutung, die aber gegenüber der industriellen Echtzeit Alleinige Nutzung andere abweichende Anforderungen hat. von Switchen ist vorgeschrieben Die notwendige Voraussetzung für Multimediaanwendungen im Office-Bereich X ist die verfügbare Bandbreite zur Übertragung immenser Datenmengen. Damit dürfen alle Netzkomponenten die nutzbare Bandbreite nicht einschränken. Methoden wie ein zyklischer Betrieb, der die mögliche Datenmengen einschränkt, sind im Office-Umfeld nicht nutzbar. Alle Verfahren eines zyklischen Betriebs Standard schränken die effektiven Nutzdaten TCP/IP X X zugunsten eines Echtzeitverhaltens ein. Bei welchem Protokoll kann ein Switch eingesetzt werden? Der Switch bietet hier als einziges Instrument die Möglichkeit, die Kollisionen zu Kollisionen sollten aber in industriellen Applikationen vermieden werden, damit Daten zu einem vorhersagbaren Zeitpunkt also mit gutem Grund zur Standardtechnologie im Office-Umfeld verhindern, ohne die Bandbreite einzuschränken. Der Switch ist ankommen (Determinismus). Das Thema Determinismus ist wesentlich sensibler, denn ethernetbasiert müssen Eigenschaften Was also von der Officeseite in die Industrie hereinschaut, ist ein geworden. sichergestellt werden, die im Betrieb einer Anlage lebenswichtig geswitchtes Ethernet. sein können. Im Fall größerer Netzlast können Kollisionen die Da auch die Richtung der Migration aus der Officeseite voranschreitet und im ersten Schritt in der Industrie nur Betriebsdaten Übertragung einer Nachricht statistisch im Sekundenbereich trotz Fast Ethernet verzögern. Auch ist nicht sichergestellt, und Zustände erfasst oder Informationen für den Betrieb in die dass Nachrichten im Automatisierungsnetzwerk in richtiger Steuerungen geschrieben werden, befindet sich das geswitchte zeitlicher Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Systeme wie Ethernet an praktisch jeder Maschine. die Echtzeiterweiterung von Ethernet IP CIP Sync oder SRT für Ein zweiter scheinbar kleiner Schritt ist es dann, dass dieses PROFInet sind nur auf Basis von Switches realisierbar, denn nur Ethernet über den Schaltschrank hinaus wächst und den klassischen Feldbus ersetzt. Diese Substitution macht aber nur dann durch Switches ist die Weiterleitung von Informationen in einem definierten Zeitfenster möglich. Sinn, wenn die Durchgängigkeit vom Office in die Maschine Es existieren aber dennoch Protokolle, auf deren Basis Teilnehmer bewahrt wird. kollisionsfrei kommunizieren. Trotzdem ist die Verwendung von Somit wäre eine Regel zur Erhaltung von Office-Technologien Switch-Technologie aus folgenden Gesichtspunkten sinnvoll. und damit der Erhaltung des Switches auch in industriellen Applikationen formuliert. DER WEG VON DER OFFICE- IN DIE FELDEBENE Ethernet war zuerst im Office-Bereich im Einsatz und hat sich in diesem zum Standard entwickelt. Erst als es sich hier bereits etabliert hatte und technisch weiter entwickelt war, wurde es reif für industrielle Applikationen. Betrachtet man diese Migration von Ethernet und damit verbunden der Office-Technologien in industrielle Applikationen, so wandert auch die Switch-Technologie vom Office in das Feld. DIE EINZELNEN INDUSTRIE-ETHERNET-PROTOKOLLE Alle seriösen Protokolle für Ethernet im industriellen Umfeld setzen Echtzeitmechanismen ein. Alle Protokolle müssen sich an dem hohen Ziel der Vernetzung von Antrieben messen lassen. Da aber dieses Ziel nicht mehr als ca. 15 % aller Applikationen betrifft, sind die meisten Ethernet-Protokolle skalierbar. Daraus resultiert, dass sich hinter 19
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