Die Gigabit-Marke geknackt
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Die Gigabit-Marke geknackt
Der Zuteilungsmechanismus bleibt dabei derselbe, in den Poll Response Frames teilen die Controlled Nodes mit, dass und wie viel sie senden wollen. Der Managing Node wählt aufgrund dieser Information jene Stationen aus, die im jeweiligen Zyklus senden dürfen.
Die Zuteilung der azyklischen Sendeberechtigung erfolgt bei Gigabit Ethernet ganz am Anfang des Netzwerk-Zyklus im Start of Protocol Frame. Der angesprochene Controlled Node schickt daraufhin zusätzlich zum Poll Response Frame seinen azyklischen Frame. Der in 100 Mbps Powerlink definierte Start of Asynchronous Frame entfällt zur Gänze.
Wie bei 100 Mbps Powerlink übernimmt bei Gigabit Powerlink ein spezieller Frame die Synchronisierung des gesamten Netzwerkes, der zu Beginn des Netzwerk-Zyklus gesendete Start of Protocol Frame übernimmt diese Funktion.
Der Start of Protocol Frame wird zu Beginn des Netzwerk-Zyklus gesendet, zu diesem Zeitpunkt ist garantiert, dass alle Queues der Switches leer sind und der Frame ohne Verzögerung weitergeleitet wird.
Allerdings variiert die Dauer, die ein Switch zur Weiterleitung braucht von Mal zu Mal um einen kleinen Betrag. Dieser beträgt in typischen Gigabit Ethernet Switches rund 150 ns. Zum Vergleich: Ein Hub hat einen Wert von 40 ns. Dieser Wert summiert sich schlechtestenfalls mit jedem Switch-Durchlauf auf und kann, insbesondere bei der in Industrie-Umgebungen üblichen Linienverdrahtung den zulässigen Schwellenwert des entstehenden Jitter (anwendungsspezifisch, aber zumeist unter 1 μs) überschreiten. Um die Synchronisier-Genauigkeit auch in solchen Fällen zu gewährleisten, verwendet Gigabit Powerlink die Uhrensynchronisation nach IEEE 1588, einem Standardverfahren für die Uhrensynchronisation in Ethernet-Netzwerken.
Vergleichsmessungen (siehe unten: „100Mbps kontra Gigabit“) haben ergeben, dass Gigabit Powerlink im Vergleich zur 100-Mbps-Variante eine Performance-Steigerung um den Faktor 9 bis 17, in großen Applikationen bis zu einem Faktor 20 bringen kann. Und was ein sehr angenehmer Nebeneffekt ist: Powerlink ist als einziges Echtzeit-Ethernet-Verfahren rein software-basierend und ermöglicht daher den Migrationsschritt hin zur Gigabit-Variante ohne nennenswerten Aufwand. Dies umso mehr, da Powerlink die CANopen Anwenderschnittstelle verwendet, die unabhängig ist vom darunterliegenden Übertragungsmedium. Beim Umstieg auf Gigabit bleibt diese Anwenderschnittstelle unverändert und garantiert damit vollständige Applikationskompatibilität. hap
Das Prinzip Powerlink
Powerlink geht zurück auf Überlegungen und technische Untersuchungen aus dem Jahr 1999/2000. Das Ziel war, auf Basis von Fast Ethernet ein echtzeitfähiges Netzwerk zu entwickeln. Was Fast Ethernet allerdings nicht bot, waren echtzeitfähige Protokolle und Profile, was letztlich zur Entwicklung von Powerlink führte, einem Echtzeit-Ethernet-Netzwerk das direkt auf der Medienzugangsschicht von Standard Fast Ethernet aufsetzt. Bei Powerlink wurde also ein Verfahren umgesetzt, das Kollisionen am Ethernet verhindert: Powerlink-Stationen dürfen nur innerhalb von definierten Zeitscheiben senden (zentral gesteuertes TDMA). Eine ausgezeichnete Station (Managing Node) steuert das Netzwerk und teilt die Zeitscheiben zu. Alle anderen Stationen (Controlled Nodes) dürfen nur dann senden, wenn sie vom Managing Node die Sendeberechtigung erhalten. Der Managing Node liefert auch die Grundlage für die Zeitsynchronisierung des Netzwerkes, deren Genauigkeit unter 1 μs liegen soll (in aktuellen Implementierungen werden Werte von nur wenigen Nanosekunden erreicht).
Die Kommunikationszeit wird in Einheiten fester Länge unterteilt, dies ergibt einen Netzwerk-Zyklus. Jeder Netzwerk-Zyklus ist immer gleich lang und beginnt mit einem Frame, den der Managing Node aussendet (Start of Cyclic). Die Dauer eines Netzwerk-Zyklus ist frei wählbar; typische Werte sind 100, 200, 400 und 500 μs.
Da Powerlink 100 Mbps Kollisionen durch das Protokoll vermeidet, bringt der Einsatz von Switches keinen Vorteil gegenüber Hubs, zusätzlich haben Switches ein schlechteres Zeitverhalten, weshalb für 100 Mbps Powerlink fast ausschließlich Hubs eingesetzt werden. Bei Gigabit Powerlink ist dies anders: Das Netzwerk-Protokoll wurde hier auf den Einsatz von Switches optimiert. Grund ist: Switches haben sich in den letzten Jahren als die dominierende Netzwerk-Infrastruktur-Komponente etabliert. Switches sind kostengünstig erhältlich und meist in einem einzigen IC-Design integriert. Da zeitkritische Teile nun direkt in Hardware umgesetzt sind, hat sich auch das Zeitverhalten von Switches wesentlich verbessert.
Zusammen mit den weiteren Vorteilen – wie Unterstützung von Full Duplex (Senden und Empfangen gleichzeitig) und interner Auflösung von Kollisionen – eröffnen sich durch den Einsatz von Switches neue Möglichkeiten für Echtzeit-Ethernet.
Für die Netzwerk-Performance von besonderer Bedeutung ist die Unterstützung von Full Duplex, womit die Netzwerk-Bandbreite gleich doppelt genutzt werden kann.
- Die Gigabit-Marke geknackt
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- Powerlink für Gigabit Ethernet
