PROFINET géré disponible sur le marché) dans le laboratoire de test HARTING (CTS) en mesurant les délais dans deux types de commutateurs et dans une topologie linéaire.
En matière de technologies de réseau, on distingue deux technologies de commutation : le stockage et la retransmission (Store & Forward) et la transmission directe (Cut-Through). De nombreux commutateurs Ethernet industriels fonctionnent en mode stockage et retransmission, où les trames entrantes sont temporairement stockées dans le commutateur avant d'être transmises. En mode transmission directe, la trame est transmise dès que l'adresse de destination est reconnue. La technologie de commutation Fast Track de HARTING identifie les trames d'automatisation (par exemple, PROFINET), les priorise par rapport aux trames informatiques et les transmet en mode transmission directe.
On peut comparer différentes technologies de commutation en déterminant leur latence. Ce paramètre, qui décrit le temps passé par une trame dans un commutateur, est défini dans les documents techniques RFC 2544 et RFC 1242.
Latence sur un seul périphérique :
lors d’une mesure comparative, la latence des trames de longueur minimale et maximale (64 octets et 1 518 octets) a été examinée (voir tableau 1). Les paramètres de toutes les mesures étaient les suivants : débit de transmission de données de 100 Mbit/s, longueur de câble maximale de huit mètres, trafic de données bidirectionnel et utilisation de la méthode d’envoi de bits pour la mesure de la latence. La technologie FTS a réduit la latence à 64 octets d’environ la moitié de celle de la technologie Store & Forward, en prenant comme exemple un commutateur PROFINET disponible dans le commerce. De plus, la latence est indépendante de la longueur de la trame avec FTS.
Délai de transmission des trames sur le réseau : Le
délai de transmission des trames sur un réseau dépend de paramètres tels que la latence, le nombre de commutateurs utilisés, la charge du réseau, la longueur des trames, le débit de transmission des données, la topologie, le nombre d’utilisateurs et la longueur des câbles. Des configurations de mesure avec deux ou huit dispositifs en topologie linéaire ont été sélectionnées pour examiner ces paramètres.
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Ces configurations ont permis de simuler un scénario pratique dans lequel un contrôleur (par exemple, un automate programmable) accédait à un actionneur (par exemple, un lecteur de disque), tandis qu'une application bureautique empruntait simultanément le même chemin réseau (voir figure 1). Les trames plus courtes, généralement utilisées en automatisation, peuvent être affectées par le trafic des trames informatiques plus longues.
Il est possible de comparer les technologies Store & Forward et Fast Track Switching de HARTING dans une configuration avec des équipements FTS, car ces derniers fonctionnent en mode Store & Forward lorsqu'aucune trame d'automatisation n'est envoyée au commutateur. Pour la mesure, des trames courtes de 64 octets ont été envoyées par un port, et des trames longues de 1 518 octets par un second port.
Le délai d'envoi des trames dépendant du trafic, une distinction a été faite entre débit maximal et minimal. Le trafic de données entrant a été configuré pour atteindre un débit maximal de 100 % à la sortie du premier commutateur (Figure 2). Le débit obtenu correspond donc à une charge d'environ 5 % sur le port pour les paquets de 64 octets et d'environ 95 % sur le port pour les paquets de 1 518 octets. Les abréviations P et I utilisées (Figure 2) font référence au préambule (8 octets) et à l'espacement intertrame (minimum 12 octets), conformément à la norme Ethernet. Le débit minimal a été obtenu en augmentant l'espacement intertrame sur le port pour les trames longues (charge partielle quasi nulle). Les conditions sur le port pour les paquets courts sont restées inchangées. Le débit résultant est d'environ 5 %.
Déroulement de l'expérience :
L'expérience a d'abord été menée avec des trames non accélérées, afin que les conditions de stockage et de retransmission soient très générales. (Les délais des courts paquets de 64 octets sont illustrés à la figure 3).
La grande variation de la latence cumulée entre le débit maximal et minimal est particulièrement frappante. Le délai maximal entre les trames mesuré en mode Store & Forward, à 887,6 µs, est remarquable. Ce délai est dû aux trames de 1 518 octets. À la sortie du commutateur, les paquets longs occupent le port de sortie pendant environ 123 µs, ce qui retarde plusieurs fois les paquets courts. Comme ce goulot d'étranglement ne se produit pas au niveau du dernier commutateur, ce délai se répète au maximum sept fois. Une courbe de réponse avec un débit relativement faible de 35 % a également été enregistrée. Le délai moyen entre les trames mesuré pour huit périphériques était alors de 825,5 µs. Cela indique que, dans une application réelle, il est rarement possible d'obtenir de faibles délais entre les trames avec la technologie Store & Forward.
L'expérience consistait également à envoyer des trames d'automatisation au port 64 octets. Le FTS a reconnu et accéléré ces trames. Comme précédemment, de longues trames IT ont été envoyées à l'autre port. Les délais de transmission des trames ont été mesurés à nouveau dans les deux cas, au débit maximal et minimal. Comme le montre la figure 3, la variabilité des délais de transmission des trames a été considérablement réduite. Le délai de transmission maximal pour huit commutateurs est passé de 887,6 µs en mode Store & Forward à 45,1 µs.
Ceci a été rendu possible grâce à la technologie FTS qui permet le transfert des trames d'automatisation.
Résultats :
Les mesures effectuées démontrent clairement les avantages de la commutation Fast Track de HARTING : avec cette technologie, la latence des trames courtes est deux fois moindre qu’avec un commutateur PROFINET classique de classe B. De plus, ce résultat est indépendant de la longueur des trames. Dans une application concrète avec huit commutateurs en topologie linéaire, il a été démontré que la technologie FTS transmet les trames à une vitesse nettement supérieure à celle du protocole Store & Forward. Le commutateur Fast Track réduit considérablement la dispersion du délai de transmission du protocole Store & Forward, qui dépend fortement de la charge du réseau.
Perspective :
Les fonctions de gestion et la pile PROFINET IO n’ont aucune incidence sur l’analyse des performances. Toutefois, la pile PROFINET IO offre l’avantage de permettre aux utilisateurs, via l’outil d’ingénierie, de visualiser, configurer et diagnostiquer le commutateur. HARTING proposera prochainement des commutateurs FTS administrables intégrant la pile PROFINET IO, ainsi que diverses fonctions de gestion. La pile PROFINET IO simplifiera la configuration et le diagnostic des équipements dans un environnement PROFINET. Dans les outils de configuration et de planification de réseau, tels que Siemens Step 7, les commutateurs sont intégrés aux bibliothèques de périphériques via le fichier GSD. En fonctionnement, les diagnostics sont transmis à l’environnement de contrôle dans un format standardisé et restent accessibles aux utilisateurs comme d’habitude.
Ces fonctionnalités simplifient l'utilisation des composants sans impacter les performances. Associées à la technologie de commutation rapide intégrée, qui optimise les performances, elles permettent à un système de communication Ethernet standard de répondre aux exigences du terrain. Ainsi, le concept d'un réseau Ethernet convergent, du niveau de contrôle au niveau terrain, devient une réalité. HARTING axe sa gamme de produits informatiques d'automatisation sur ces concepts orientés utilisateur.
Auteurs :
Torsten Halstenberg, ingénieur de laboratoire, Allemagne, HARTING Technology Group,
Thomas Korb, directeur du marketing produit ICPN, Allemagne, HARTING Technology Group,
Julia Noel, ingénieure de laboratoire, Allemagne, HARTING Technology Group,
