Hoe ethernet realtime wordt

Ethernet is standaard niet realtime. Industriële versies zoals ProfiNet en Ethercat zijn dat wel, maar dan zijn aanbieders en gebruikers gebonden aan de eisen die deze protocollen stellen. ‘Time Switched Ethernet’ moet alle mogelijke toepassingen op hetzelfde netwerk mogelijk maken, inclusief realtime applicaties. ‘Frame Preemption‘ (stoppen van frames) speelt hierin een belangrijke rol.

In protocollen voor industrieel ethernet zijn oplossingen bedacht om tot een voorspelbaar gedrag te komen. Deze protocolspecifieke oplossingen zijn niet standaard beschikbaar voor ethernet op hogere niveaus in een bedrijf. Daar moet men terugvallen op TCP/IP (of andere protocollen), met hun (qua timing) onvoorspelbare gedrag. Als onderdeel van de TSN uitbreiding (Time Sensitive Networking) van ethernet is een meer generieke oplossing bedacht.

Cyclisch werken

In een industriële toepassing wordt vaak cyclisch gewerkt: dezelfde programmacode wordt steeds opnieuw uitgevoerd. Deze manier van werken is typisch voor plc’s en DCS’en, maar wordt ook vaak gezien in embedded besturingen. Door de constante cyclustijd kan de software op tijd reageren op externe gebeurtenissen: binnen de actuele cyclus, en anders de volgende.
Wat er op een besturingsnetwerk gebeurt, is voorspelbaar. Omdat het aantal apparaten en ingangs- en uitgangssignalen bekend is en in principe hetzelfde blijft, is vooraf te berekenen wat de transmissietijden van alle netwerkberichten zijn.

Acyclische data

Een netwerk verwerkt ook vaak acyclische berichten. Deze komen op een voor het netwerk willekeurig moment, bijvoorbeeld omdat ergens een fout optreedt, een webpagina wordt opgevraagd of een operator een commando geeft (‘Stop!’). In een netwerkcyclus moet tijd zijn om dit soort netwerkverkeer te kunnen afhandelen. Hiertoe wordt na de cyclische berichten capaciteit gereserveerd voor acyclische berichten.
Om te voorkomen dat hierdoor de cyclustijd wordt overschreden, wordt een (configureerbare) tijdsperiode aan het eind van elke cyclus toegevoegd. Transmissie van een netwerkbericht mag alléén beginnen als is gegarandeerd dat de transmissie binnen deze ‘guard band’ eindigt.
Bij het omgaan met ‘lange’ berichten komt Frame Preemption (IEEE 802.3br ) om de hoek kijken. Deze (voor ethernet) nieuwe techniek lost het probleem op van een netwerkbericht dat niet in een netwerkcyclus past. Zo’n netwerkbericht wordt opgedeeld in fragmenten. De ontvanger plaatst alle fragmenten weer achter elkaar om daarmee een kopie van het originele (lange) netwerkbericht te maken. Het Frame Preemption algoritme voert echter geen foutherstel voor gecorrumpteerde data uit, waar TCP/IP dat wel kan.

Wijziging in ethernet

Frame Preemption vereist een wijziging in het ethernet berichtformaat. De ontvanger moet weten welk soort fragment er binnenkomt en fouten kunnen detecteren. Om fouten te kunnen detecteren, zijn alle fragmenten binnen een bericht genummerd (‘Fragment Counter’). De ontvanger controleert of de juiste volgorde wordt aangehouden. Als een fout wordt gezien, gaat het algoritme wachten op het volgende start-fragment. Als in hogere protocollagen zoals TCP/IP wordt gedetecteerd dat een compleet netwerkbericht zoek is, zal op dit niveau om hertransmissie worden gevraagd.
Met al deze foutcontroles garandeert ethernet de correctheid van ontvangen data. Alle bestaande netwerkprotocollen kunnen blijven werken op een netwerk met Frame Preemption, waarbij het real-time gedrag gegarandeerd blijft. Dankzij Frame Preemption en de andere TSN standaarden wordt ethernet (eindelijk) realtime.

Meer over Frame Preemption vindt u in het decembernummer van Automatie | PMA. Geen abonnee? Vraag dan twee gratis proefnummers aan.

Advertisment ad adsense adlogger