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Elektronikplattformen mit Ethernet optimieren

Ethernet macht mobil

13. Juli 2012, 11:37 Uhr | Von Dr. Markuns Plankensteiner, Dr. Wilfried Steiner und Dr. Astrit Ademaj

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Echtzeiterweiterung für Ethernet

TTEthernet ist für die robuste und parallele Übertragung von Daten mit harten, weichen und ohne Echtzeitanforderungen entwickelt worden. Es erfüllt verschiedenste Kriterien in Bezug auf Sicherheit und Verfügbarkeit und bietet eine verteilte, fehlertolerante Zeitbasis. Der Schlüssel zu dieser Technologie sind die TTEthernet-Switches (Layer-2-Ethernet-Switches), die eine Weiterentwicklung gemäß dem SAE-AS6802-Standard implementieren. Sie ergänzen die Ethernet-Norm IEEE 802.3 um synchronisierte Kommunikation (d.h. zeitgesteuerte Kommunikation) und Mechanismen zur Einschränkung der Datenrate (rate constrained). Letzteres bezeichnet einen Datenaustausch, bei dem eine bestimmte Übertragungsrate garantiert wird, jedoch keine feste Phasenlage der einzelnen Botschaften.

Diese Erweiterungen der Ethernet-Norm IEEE 802.3 machen nicht nur eine einfache Migration von bestehenden Standard-Ethernet-Anwendungen möglich, sondern erlauben auch die Verwendung der derzeit verfügbaren, kostengünstigen Ethernet-Controller. Gleichzeitig ist das Protokoll unabhängig von der konkreten Implementierung der physikalischen Schicht. Eine Integration mit AVB (Audio/Video Bridging) ist ebenfalls möglich. Es werden die gängigen Datenübertragungsraten 100 Mbit/s und 1 Gbit/s unterstützt.

Aufgrund der verlust- und kollisionsfreien Übertragung der zeitgesteuerten Kommunikation wird die Übertragungsrate von Ethernet optimal genutzt und gleichzeitig niedrige Latenz und Jitter im μs-Bereich für kritische Datenströme ermöglicht. Dies ist wesentlich für die Gestaltung von Architekturen, bei denen sich das Netzwerk wie ein verteiltes Computer-System verhält und in denen unterschiedliche Funktionen auf jedem Steuergerät nebeneinander funktionieren – unabhängig von der Entfernung von Sensoren und gesteuerten Systemen. Dies kann in einer Backbone-Architektur vorteilhaft eingesetzt werden.

TTEthernet wird als Backbone-System im NASA-Orion-Programm – dem Nachfolger des Space Shuttles – verwendet. Entscheidend für den Einsatz von TTEthernet waren die deterministische Systemeigenschaft und die Fähigkeit, eine Architektur zu gestalten, die den Verdrahtungsaufwand und das Gewicht minimiert und gleichzeitig für eine robuste Isolierung von kritischen und nicht kritischen Funktionen, die gemeinsame Computing- und Netzwerk-Ressource nutzen, zu entwerfen. Darüber hinaus werden die Kosten minimiert durch die Skalierbarkeit und die Konformität mit den jeweiligen internationalen Standards sowie durch die Möglichkeit, preisgünstige Komponenten und Embedded Mikrocontroller mit Ethernet-Schnittstellen zu verwenden und in vorhandene Subsysteme zu integrieren.

Ein weiteres typisches Einsatzgebiet für TTEthernet sind hochverfügbare Systeme, in denen Ausfälle sehr kostspielig sind. Mit TTEthernet können solche Systeme selbst den Betrieb fortführen, nachdem mehrere Fehler aufgetreten sind. Deshalb gibt es keine absolute Notwendigkeit für eine sofortige Reparatur. Reparaturen können so an definierten, weit auseinanderliegenden Zeitpunkten durchgeführt werden. Beispiele dafür sind integrierte Echtzeitsteuerung und Sicherheits-Management-Systeme in Offshore-Windenergieanlagen. Die Anwendungsgebiete von TTEthernet weisen gemeinsame Anforderungen auf: hohe Verfügbarkeit, robustes und präzises Zeitverhalten und die Integration verschiedener Dienste in ein einheitliches, kostengünstiges, standardisiertes Netzwerk.