Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Ethernet und Echtzeit

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Definitionen

• Was bedeutet Echtzeit ?– Unter dem Begriff Echtzeit versteht man, daß unter allen

Umständen auf eintretende Ereignisse rechtzeitig reagiert wird.

• Was bedeutet deterministisch ?– Deterministisch bedeutet, daß eintretende Verzögerungen

vorausberechenbar sind.

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Welche Probleme gibt es ?

Verzögerung

20 % 40 %30 %10 % 50 % 60 % 70 % 80 %Netzwerkauslastung

niedrig

hoch Hoher Durchsatz

Beginnende Probleme

Overload

• Kummulation von Kollisionen -> unkalkulierbare Verzögerungen.• Hohe Auslastung:

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Maßnahmen zur Steigerung der Echtzeitfäigkeit

• Kleinere Collision Domains durch Bridges & Switches

• Höhere Übertragungsrate

• Full Duplex Betrieb

• Backbone

• Nachrichtenpriorisierung

• Betriebsbedingungen für die Stationen

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Kleinere Collision Domains durch Bridges & Switches

• Innerhalb einer Collision Domain beeinflussen 4 Faktoren das Zeitverhalten:– Anzahl der Netzwerkstationen

• Viele Stationen erhöhen die Kollisionswahrscheinlichkeit– Ausdehnung des Netzwerks

• Die Signallaufzeit vergrößer sich, Kollisionen werden später erkannt

– Länge der Datenrahmen• Übertragungsdauer verlängert sich, möglicher Stau

sendewilliger Stationen– Menge des Datenverkehrs

• Die Verzögerungen steigen mit der Auslastung an

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Kleinere Collision Domains durch Bridges & Switches

12

34

56

78

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Kleinere Collision Domains durch Bridges & Switches

• Spanning Tree Algorithmus

Brigde

Brigde

Brigde

Netzwerk 1

Netzwerk 2

Netzwerk 3

Mehrfachpfad zwischen 2 Netzen

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Kleinere Collision Domains durch Bridges & Switches

Switched LAN <-> Shared LAN

Switch Hub

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Höhere Übertragungsrate

© Prof. Dr. Ing. Jörg Wollert FH Bochum

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Full Duplex Betrieb

• FDX – Senden und empfangen gleichzeitig– Zwei Teilnehmer– Passendes Medium erforderlich

100 MBit/s

100 MBit/s

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Backbone

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Nachrichtenpriorisierung

• 802-1 p/Q– Standard des IEEE (Insitute for Electrical and Electronic

Engineers) – Beschleunigte Behandlung von zeitkritischen Nachrichten

in Bridges & Switches– Dynamische Registrierung der zeitkritischen Nachrichten– Beschränkung von Multicast Paketen– Ethernet Header wird um 4 Bytes vergrößert– Kompatibilitätsprobleme ?– Behandlung der Zusatzinformationen obliegt den Switches &

Bridges

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Nachrichtenpriorisierung

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Betriebsbedingungen für die Stationen

• Spielregeln für die Stationen

• Kollisionen vermeiden

• Dem Kollisionsbewältigungs-Algorithmus Rahmenbedingungen bieten, daß sich das System nicht aufschaukelt

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Lastbeschränkungsfaktoren

• Meldungsrate– Max. Anzahl von Meldungen pro Station im Mittel

• Meldungslänge– Max. Länge der Nachrichten einer Station im Mittel

• Intermessage Gap– Min. Zeitabstand zwischen zwei Meldungen einer Station

Meldungszwischenraum (Intermessage Gap)

Meldungszwischenraum (Intermessage Gap)

Meldungszwischenraum (Intermessage Gap)

Ethernet

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Realisierung der Lastbeschränkung

Application Layer

Presentation Layer

Transport Layer

Network Layer

Data Link Layer

Physical Layer

Session Layer

Application

TCP

IP

EthernetNetwork

(1)

(2)

Die geschilderten Lastbeschränkungsfaktoren lassen sich entweder direkt im Programm der einzelnen Steuerung realisieren oder in einem zusätzlichen Layer zwischen Anwendungssoftware und dem TCP-Layer (1) oder zwischen IP-Layer und Ethernet (2).

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Was beeinflußt außerdem das Zeitverhalten ?

Programm...senden...

Programm...senden...

Socket-InterfaceSocket-Interface

TCP-ProtokollTCP-Protokoll

IP-ProtokollIP-Protokoll

Socket-InterfaceSocket-Interface

TCP-ProtokollTCP-Protokoll

IP-ProtokollIP-Protokoll

EthernetEthernet

Programm...einlesen...

Programm...einlesen...

Übertragungsdauer

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Fazit

• Das Ethernet ist aufgrund des Zugriffsverfahrens CSMA/CD und des Back-Off-Algorithmus nicht deterministisch, da es zu einer Kumulierung von Kollisionen kommen kann.

• Dennoch eignet es sich für viele Anwendungsbereiche der Automation, da durch die gezeigten Maßnahmen (z.B. Switching, geringe Auslastung) ein ausreichendes Zeitverhalten erreicht werden kann.

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Aufgabe: Grundlagen Ethernet 1

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Lösung: Grundlagen Ethernet 1

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Aufgabe: Grundlagen Ethernet 2

Sch

utz

verm

erk

na

ch D

IN 3

4 b

eac

hte

n

Lösung: Grundlagen Ethernet 2