PROFINET wurde im HARTING Testlabor (CTS) durch Messung der Verzögerungen in zwei Arten von Schaltern und in einer linearen Topologie verwaltet.
In der Netzwerktechnik werden zwei Vermittlungstechnologien unterschieden: Store & Forward und Cut-Through. Viele industrielle Ethernet-Switches arbeiten im Store & Forward-Modus, bei dem eingehende Frames zwischengespeichert und anschließend weitergeleitet werden. Bei der Cut-Through-Technologie wird der Frame übertragen, sobald die Zieladresse erkannt wird. Die Fast Track Switching-Technologie von HARTING erkennt Automatisierungs-Frames (z. B. PROFINET), priorisiert diese gegenüber IT-Frames und leitet sie im Cut-Through-Modus weiter.
Verschiedene Vermittlungstechnologien lassen sich durch die Bestimmung ihrer Latenzzeiten vergleichen. Dieser Parameter, der die Verweildauer eines Datenpakets in einer Vermittlungsstelle beschreibt, ist in den technischen Dokumenten RFC 2544 und RFC 1242 definiert.
Latenz einzelner Geräte:
In einer Vergleichsmessung wurde die Latenz bei minimalen und maximalen Frame-Längen von 64 Byte und 1518 Byte untersucht (siehe Tabelle 1). Die Parameter für alle Messungen waren eine Datenübertragungsrate von 100 Mbit/s, eine maximale Kabellänge von acht Metern, bidirektionaler Datenverkehr und die Verwendung der Bit-Send-Methode zur Latenzmessung. Die FTS-Technologie reduzierte die Latenz bei 64 Byte auf etwa die Hälfte derjenigen der Store-&-Forward-Technologie, wobei ein handelsüblicher PROFINET-Switch als Beispiel diente. Darüber hinaus ist die Latenz bei FTS unabhängig von der Frame-Länge.
Frameverzögerung im Netzwerk:
Die Frameverzögerung in einem Netzwerk hängt von Parametern wie Latenz, Anzahl der verwendeten Switches, Netzwerklast, Framelänge, Datenübertragungsrate, Topologie, Anzahl der Benutzer und Kabellänge ab. Zur Untersuchung dieser Parameter wurden Messkonfigurationen mit zwei bzw. acht Geräten in linearer Topologie gewählt.
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Mit diesen Konfigurationen wurde ein praxisnahes Szenario simuliert, in dem eine Steuerung (z. B. eine SPS) auf einen Aktor (z. B. ein Festplattenlaufwerk) zugreift, während gleichzeitig eine Büroanwendung denselben Netzwerkpfad nutzt (siehe Abbildung 1). Die in der Automatisierungstechnik üblicherweise verwendeten kürzeren Frames können durch den Datenverkehr längerer IT-Frames beeinträchtigt werden.
Ein Vergleich der Store & Forward- und Fast Track Switching-Technologien von HARTING ist in einer Konfiguration mit FTS-Geräten möglich, da FTS im Store & Forward-Modus arbeitet, solange keine Automatisierungs-Frames an den Switch gesendet werden. Für die Messung wurden kurze Frames mit 64 Byte über einen Port und lange Frames mit 1518 Byte über einen zweiten Port gesendet.
Da die Frame-Verzögerung vom Datenverkehr abhängt, wurde zwischen maximalem und minimalem Durchsatz unterschieden. Der eingehende Datenverkehr wurde so gewählt, dass am Ausgang des ersten Switches ein maximaler Durchsatz von 100 % erreicht wurde (Abbildung 2). Der Durchsatz ergab sich somit aus einer Auslastung des Ports von ca. 5 % bei einer Paketlänge von 64 Byte und einer Auslastung von ca. 95 % bei einer Paketlänge von 1518 Byte. Die Abkürzungen P und I (Abbildung 2) beziehen sich auf die Präambel (8 Byte) und den Interframe-Abstand (mindestens 12 Byte) gemäß Ethernet-Standard. Der minimale Durchsatz wurde durch Erhöhung des Interframe-Abstands am Port für lange Frames (nahezu 0 % Teillast) erzielt. Die Bedingungen am Port für kurze Pakete blieben unverändert. Das Ergebnis war ein Durchsatz von ca. 5 %.
Durchführung des Experiments:
Zunächst wurde das Experiment mit unbeschleunigten Frames durchgeführt, um die Store-&-Forward-Bedingungen sehr allgemein zu halten. (Die Verzögerungen der kurzen 64-Byte-Pakete sind in Abbildung 3 dargestellt).
Die große Schwankungsbreite der kumulativen Latenz zwischen maximalem und minimalem Durchsatz ist besonders auffällig. Die maximale Frame-Verzögerung im Store-&-Forward-Modus von 887,6 µs ist bemerkenswert. Diese Verzögerung ist auf die 1518 Byte großen Frames zurückzuführen. Beim Verlassen des Switches belegen lange Pakete den Ausgangsport für ca. 123 µs, wodurch kurze Pakete mehrfach verzögert werden. Da dieser Engpass nicht am letzten Switch auftritt, kommt es maximal siebenmal zu dieser Verzögerung. Es wurde auch eine Antwortkurve mit einem relativ niedrigen Durchsatz von 35 % aufgezeichnet. Die hier für acht Geräte gemessene durchschnittliche Frame-Verzögerung betrug bereits 825,5 µs. Dies zeigt, dass kurze Frame-Verzögerungen in realen Anwendungen mit der Store-&-Forward-Technologie selten erreicht werden können.
Das Experiment umfasste auch das Senden von Automatisierungs-Frames an den 64-Byte-Port. Das FTS erkannte und beschleunigte diese Frames. Wie zuvor wurden lange IT-Frames an den anderen Port gesendet. Die Frame-Verzögerungen wurden in beiden Fällen erneut gemessen, sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Durchsatz. Wie Abbildung 3 zeigt, wurde die Variabilität der Frame-Verzögerung deutlich reduziert. Die maximale Frame-Verzögerung für acht Switches sank von 887,6 µs im Store-and-Forward-Modus auf 45,1 µs.
Dies war möglich, da die FTS-Technologie die Weiterleitung von Automatisierungs-Frames ermöglicht.
Ergebnisse:
Die Messergebnisse belegen eindeutig die Vorteile von HARTINGs Fast Track Switching: Bei Verwendung von HARTINGs Fast Track Switching ist die Latenz kurzer Frames nur halb so hoch wie bei einem herkömmlichen Managed PROFINET-Switch der Klasse B. Dieses Ergebnis ist zudem unabhängig von der Frame-Länge. In einem Anwendungsbeispiel mit acht Switches in linearer Topologie zeigte sich, dass die FTS-Technologie Frames deutlich schneller überträgt als Store & Forward. Der Fast Track Switch reduziert die Streuung der Store & Forward-Verzögerung, die stark von der Netzwerklast abhängt, signifikant.
Perspektive:
Die Managementfunktionen und der PROFINET IO-Stack haben keinen Einfluss auf die Leistungsanalyse. Der PROFINET IO-Stack bietet jedoch den Vorteil, dass das Engineering-Tool die Anzeige, Konfiguration und Diagnose des Switches ermöglicht. HARTING wird in Kürze Managed FTS-Switches mit integriertem PROFINET IO-Stack und diversen Managementfunktionen anbieten. Der PROFINET IO-Stack vereinfacht die Gerätekonfiguration und -diagnose in einer PROFINET-Umgebung. In Netzwerkplanungs- und Konfigurationstools wie Siemens Step 7 werden Switches über die GSD-Datei in die Gerätebibliotheken integriert. Im Betrieb werden Diagnosedaten in einem standardisierten Format an die Steuerungsumgebung übertragen und sind wie gewohnt für die Benutzer abrufbar.
Diese praktischen Funktionen vereinfachen die Arbeit mit den Komponenten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. In Kombination mit der integrierten Fast Track Switching-Technologie, die die Performance steigert, erfüllt ein Standard-Ethernet-Kommunikationssystem nun auch die Anforderungen im Feldeinsatz. Damit ist das Konzept eines durchgängigen Ethernet-Netzwerks von der Steuerungs- bis zur Feldebene Realität geworden. HARTING setzt mit seinem Produktportfolio Automation IT konsequent auf diese anwenderorientierten Konzepte.
Autoren:
Torsten Halstenberg, Laboringenieur, Deutschland, HARTING Technologiegruppe,
Thomas Korb, Direktor Produktmarketing ICPN, Deutschland, HARTING Technologiegruppe,
Julia Noel, Laboringenieurin, Deutschland, HARTING Technologiegruppe,
