Echtzeit-Ethernet Protokoll-Reigen

Switch-basierte Ethernet-Lösungen erreichen eine intelligent ausgewählte, akzeptables Echtzeitverhalten.
Switch-basierte Ethernet-Lösungen erreichen eine intelligent ausgewählt, akzeptables Echtzeitverhalten.

Wann darf man Ethernet noch Ethernet nennen? Das ist gerade bei Echtzeit-Ethernet-Derivaten eine interessante Frage. Schon bei konventionellen, Switch-basierten Ethernet-Lösungen wird deutlich, dass eine querverkehrfreie Kommunikation und eine intelligent ausgewählte Switch-Technologie ein akzeptables Echtzeitverhalten wie bei konventionellen Feldbussen erreichen kann. Doch es geht noch mehr – ein Einblick in fortgeschrittene RT-Ethernet-Konzepte

Aus dem vorhergehenden Beitrag zu Switched Ethernet [1] wurde deutlich, dass Laufzeitbeschränkungen aufgrund des Ethernet-Rahmens unausweichlich sind. Typische Automatisierungszyklen von 10 ms sind problemlos möglich; alles, was kürzere Zykluszeiten ermöglicht, muss erkämpft werden. Das wird schon durch die Betrachtung von minimaler und maximaler Laufzeit eines konventionellen Ethernet-Rahmens deutlich. Mit typisch 122 µs Laufzeit bei 100 Mbit/s, wie in Bild 1 illustriert, wird eine natürliche Grenze aufgezeigt.

Sollen High-Speed-Anwendungen mit Bus-Update-Zeiten im Bereich um die 100 µs erreicht werden, sind zusätzliche Anstrengungen notwendig. Eine Reduzierung der maximalen Telegrammgröße ist beispielsweise unausweichlich, zeigt aber auch das Potenzial auf. Ein minimaler Telegrammrahmen von 64 Byte Länge belegt nur für gut 6 µs den Bus und zeigt damit die untere Grenze eines 100-Mbit/s-Netzwerks auf.

Funktionsweise Echtzeit-Ethernet

Eine konventionelle Internet-Kommunikation über Netzwerkadapter mit TCP/IP-Kommunikation scheidet für High-Speed-Echtzeitnetzwerke kategorisch aus. Das wurde hinreichend diskutiert. Weiche Echtzeiteigenschaften im Sinn von 10 ms Zykluszeit können durch zwei mögliche Strategien erreicht werden (Bild 2):

  1. 2. Ein klarer Trend geht heute in Richtung schlanker, IP-freier Echtzeitprotokolle oberhalb der Sicherungs-Schicht. Der Ethernet-Protokollrahmen erlaubt es, über den Ethertype zu bestimmen, welche höheren Protokolle oberhalb Schicht 2 angesprochen werden. IP hat beispielsweise den Ethertype 0x0800, ein VLAN-Telegramm die 0x8100; bei den Echtzeittelegrammen hat heute nahezu jeder Anbieter von Echtzeitlösungen seinen eigenen Ethertype, der dann auch in die eigene Automatisierungswelt verzweigt. Dieses Verfahren wird von nahezu allen Anbietern IP-kompatibler Echtzeit-Lösungen realisiert, z.B. auch von den Firmen Beckhoff bei Realtime-Ethernet (RTE – Ethertype 0x88A4), Siemens bei Profinet (CC-B 0x8892), B&R bei Powerlink (Ethertype 0x88AB) oder Sercos bei Sercos III (Ethertype 0x88CD). Der Vorteil ist offensichtlich, die kritischen Stack-Laufzeiten im TCP/IP-Protokollstapel können unmittelbar umgangen werden. Durch diese Maßnahmen sind in abgeschotteten Netzwerken oder in VLAN-Segmenten Zykluszeiten im Bereich von 10 ms sicher möglich.

Für alles, was eine bessere Performance aufweisen soll, sind zusätzliche Maßnahmen notwendig. Im Wesentlichen können zwei Strategien unterschieden werden.

3. Unter Beibehaltung der typischen Infrastruktur wird die Sicherungsschicht des Ethernet-Protokolls optimiert. Dieses kann in unterschiedlichen Ausprägungen erfolgen. Ein erster Schritt wäre, Treiber zu entwickeln, welche eine auf den Automatisierungsprozess zugeschnittene maximale Datenrahmenlänge aufweisen. Eine Reduktion um den Faktor 10 von 1500 auf 150 Byte würde tatsächlich fast 1/10 Telegrammdauer entsprechen, also gerade einmal knapp 13 µs. Darüber hinaus können spezifische latenzarme Switches mit Cut-Through-Technologie oder Hubs eine weitere Verbesserung des Betriebsverhaltens erreichen. Zykluszeiten um die 200 µs sind mit diesen Maßnahmen durchaus realistisch zu erreichen. Geräte dieser Kategorie können noch kompatibel zu konventioneller Ethernet-Infrastruktur sein. 4. Sollen weitere Optimierungen erfolgen und Zykluszeiten im zweistelligen Mikrosekundenbereich erreicht werden, sind spezialisierte Lösungen mit eigener Hardware die geeignete Wahl. Hierbei handelt es sich in der Regel um FPGAs oder ASICs, die in Form eines Bitstream-Prozesses den Ethernet-Protokollrahmen bearbeiten. So sind mit geringster Latenz die kurzen Reaktionszeiten zu erreichen. In der Regel verzichten optimierte Systeme auf Infrastrukturkomponenten wie Switches oder Hubs, die zu einer zusätzlichen Zeitverzögerung beitragen würden. Ein prominenter Vertreter dieser Gattung ist EtherCAT der Firma Beckhoff. Hier benutzt nur die Master-Anschaltung eine Standard-Ethernet-Schnittstelle. Die Slaves bearbeiten ausschließlich den Bitstream. Auch Profinet in der Conformance Class C (IRT) nutzt einen Kommunikationsprozessor, der spezifische Echtzeit-Ethernet-Funktionen bereitstellt.

Um diesen verschiedenen Ausprägungen gerecht zu werden, werden auch innerhalb der internationalen Feldbusnorm IEC 61784-2 unterschiedliche Kategorien von Echtzeitklassen definiert, wie sie aus Tabelle 1 ersichtlich sind. Um die hier angepeilte Echtzeitklasse RTC 3 zu erreichen, kommen nur Systeme der Kategorie 3 und im Besonderen der Kategorie 4 in Frage.

RTCEinsatzReaktionszeit
 1 Menschliche Überwachungsfunktion 100 ms
 2 normale Automatisierungsfunktion <10 ms
 3 Motion-Control-Anwendungen <1 ms
 Jitter <1 µs
Tabelle 1. IEC-61784-2-Echzeitklassen

Die vorhergehenden Ausführungen machen deutlich, dass hier nicht mehr von „dem“ Ethernet gesprochen werden kann – ein Grund, sich mit den detaillierten Funktionsweisen der Bussysteme auseinanderzusetzen, um die Leistungsfähigkeit der führenden Echtzeit-Ethernet-Derivate aus neutraler Sicht zu bewerten. Da die Anwendungsfälle 1 und 2 bereits in einem vorhergehenden Artikel behandelt worden sind, kann man sich hier auf die wirklichen High-Speed-Netzwerke der Echtzeitkategorie 3 beschränken. Neben den hier detaillierter erläuterten Bussystemen Powerlink, EtherCAT und Profinet haben Sercos III im europäischen Umfeld, aber auch Ethernet IP für den US-amerikanischen Markt und CC-Link IE für den asiatischen bzw. japanischen Markt eine gewisse Dominanz erreicht.