Von Franz Matejka, Anton Meindl

Gigabit Powerlink stellt nach 100 Mbps Powerlink die nächste Evolutionsstufe dar. Ziel der Weiterentwicklung war, mit der Steigerung der Netzwerk-Bandbreite um den Faktor 10 auch eine entsprechende Verkürzung des Netzwerk-Zyklus umzusetzen. Dieser Evolutionsschritt ist insofern logisch, als Powerlink komplett auf dem Ethernet-Standard aufsetzt und damit ohne großen Aufwand von der 10-fach höheren Geschwindigkeit profitieren kann.

Um die Performance von Gigabit Ethernet optimal nutzen zu können, wurden zwei zentrale Design-Entscheidungen getroffen:

• Die Vernetzung erfolgt mittels Switches.
• Das Powerlink-Protokoll soll die speziellen Möglichkeiten von Switches für Gigabit Ethernet nutzen.

Switches ersetzen die Hubs

Um ein Netzwerk aus mehr als zwei Stationen mittels Punkt-zu-Punkt Verbindungen aufzubauen, müssen zusätzliche aktive Netzwerk-Komponenten eingesetzt werden. Dabei wird unterschieden zwischen den Typen Hub, Switch und Router. Für die Vernetzung eines Powerlink-Netzwerkes werden Hubs oder Switches verwendet. Diese Geräte bieten mehrere Ethernet Ports und leiten einen an einem Port empfangenen Ethernet Frame an die anderen Ports weiter. Hubs machen dies auf einfachste Weise auf physikalischer Netzwerk- Schicht: Ein an einem Port empfangener Frame wird an alle anderen Ports weitergeleitet. Der bei der Weiterleitung entstehende Jitter (zeitliche Unpräzision) ist bei Hubs sehr klein und beträgt etwa 20 ns.

Die Dank des Full-Duplex-Betriebes bei Gigabit Powerlink kann der Managing Node die Poll Request Frames ohne Verzögerung hintereinander senden, er muss nicht mehr auf die Antworten der einzelnen Stationen warten.

Switches sind aufwendiger als Hubs, unterstützen Full Duplex und können Frames zwischenspeichern. Kollisionen werden im Switch für jeden Port einzeln aufgelöst. Switches benötigen im Vergleich zu Hubs mehr Zeit, um einen Frame weiterzuleiten, und der dabei anfallende Jitter ist größer; beide Kennwerte sind abhängig von der Implementierung des Switches.

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.

Powerlink für Gigabit Ethernet

Das Powerlink-Protokoll kann ohne großen Aufwand auf ein Full-Duplex-Netzwerk abgestimmt werden. Die Aufteilung zwischen Managing Node und Controlled Nodes bleibt weiterhin bestehen (siehe Kasten „Das Prinzip Powerlink“). Der Managing Node beginnt den Netzwerk-Zyklus mit dem Senden eines Frame (Start of Protocol). Unmittelbar anschließend an den Start of Protocol Frame verschickt der Managing Node die Poll Request Frames für alle Stationen sowie den eigenen Poll Response Frame. Diese Frames werden alle dicht an dicht versendet, es wird nicht mehr auf die Antwort der einzelnen Stationen gewartet wie dies bei 100 Mbps Powerlink der Fall ist.

Die Controlled Nodes senden ihren Poll Response Frame, wie den Managing Node, zu Beginn des Zyklus. Dadurch beginnen alle Controlled Nodes gleichzeitig mit dem Sendevorgang. In einem Netzwerk mit Hubs würde dies zu vielen Kollisionen und zu einem nicht deterministischen Zeitverhalten führen. Da jedoch Switches zum Einsatz kommen, werden Kollisionen durch die Speicherfähigkeit der Switches verhindert beziehungsweise aufgelöst. Die Frames werden so lange im Switch zwischengespeichert bis die Ausgangsleitung frei ist und der Frame gesendet werden kann. Die entstehende Stau-Situation wirkt sich in diesem Fall sogar positiv auf die Netzwerk-Performance aus, da die Switches die gespeicherten Frames so schnell wie möglich abarbeiten und dadurch der Abstand zwischen den Frames optimal kurz gehalten wird.

Die Kernidee von Gigabit Powerlink ist es also, die Wartezeiten auf Antwort-Frames zu eliminieren (kein Polling mehr). Auch die azyklische Kommunikation wurde diesbezüglich optimiert. Bei 100Mbps Powerlink werden azyklische Frames mittels des Start of Asynchronous Frame von den Controlled Nodes angefordert, dies führt zu einer Wartezeit zwischen dem Start of Asynchronous Frame und dem azyklischen Frame des angesprochenen Controlled Node.

Da in Gigabit Powerlink die Kollisionen durch die Switches aufgelöst werden, muss das Senden des asynchronen Frame nicht mehr auf einen festen Zeitpunkt im Netzwerk-Zyklus festgelegt sein, sondern kann flexibel gehalten sein. 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.

Migration ohne viel Aufwand möglich

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.

Autoren:

Franz Matejka ist Software Design Engineer in der Business Unit Controls und Miglied des Arbeitskreises Technik in der EPSG.

Anton Meindl ist Business Manager Controls bei B&R sowie Mitglied des Vorstandes der Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG).

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. Innerhalb eines Netzwerk-Zyklus wird jede Station mittels eines speziellen Frame (Poll Request) angesprochen und muss daraufhin mit einem Poll Response Frame antworten. Output-Daten werden im Poll Request und Input-Daten im Poll Response übertragen (Master-Slave-Prinzip). Zusätzlich werden Poll Response Frames als Broadcasts gesendet, so dass alle anderen Stationen diesen ebenfalls empfangen und verarbeiten können (Publisher-Subscriber-Prinzip); ein Umkopieren der Daten im Managing Node ist in diesem Fall nicht erforderlich, was sehr effiziente Systeme ermöglicht. Man spricht hier auch vom direkten oder echten Querverkehr.

In Poll Request und Poll Response werden zyklische Echtzeit-Daten übertragen, die asynchrone Kommunikation (etwa TCP/IP) findet in einem dafür reservierten Zeit-Slot, der vom Managing Node verwaltet wird, statt. Jede Station teilt im Poll Response mit, ob und wie viele asynchrone Frames zum Senden anstehen. Der Managing Node sammelt diese Information und gibt die asynchrone Sendeberechtigung mittels des Start of Asynchronous Frame an eine bestimmte Station. Innerhalb eines Netzwerk-Zyklus ist Platz reserviert für einen vollständigen asynchronen Frame, dies kann ein beliebiger Ethernet Frame sein.

100 Mbps kontra Gigabit

Die Performance erhöht sich bei der Gigabit-Variante von Powerlink erheblich: Im Bild zu sehen ist eine Reduzierung der Zykluszeiten um den Faktor 15 (entspricht Beispiel 2). Generell sind je nach Netzgröße Steigerungen um den Faktor 9 bis hin zu einem Faktor 20 zu erwarten.

Die erzielbare, kleinstmögliche Zykluszeit bei Gigabit Powerlink ergibt sich aus der gegebenen Konfiguration, das heißt, aus der Anzahl der vorhandenen Stationen und ihrem Datenaufkommen sowie aus den Signallaufzeiten aufgrund der Netzwerk-Topologie. Es ergeben sich drei Fälle, die zu betrachten sind:

Fall 1: Die vom Managing Node gesendeten Frames bestimmen die Zykluszeit

Fall 2: Die von den Controlled Nodes gesendeten Frames bestimmen die Zykluszeit

Fall 3: Die Signallaufzeit des Controlled Node mit der längsten Laufzeit bestimmt die Zykluszeit.

Drei praxisnahe Beispiele sollen die erzielbaren Zykluszeiten der Gigabit-Variante im Vergleich mit der 100-MbPs-Veriante verdeutlichen:

Beispiel 1:

Ein kleineres Netzwerk mit 10 Stationen; jeweils 36 Byte Input und 36 Byte Output. Die asynchrone Bandbreite beträgt 300 Byte je Zyklus.

Resultierende Zykluszeiten: 100 Mbps: 200 μs – Gigabit: 22 μs

Beispiel 2:

ein mittleres Netzwerk mit 30 Stationen; jeweils 36 Byte Input und 36 Byte Output. Die asynchrone Bandbreite beträgt 300 Byte je Zyklus.

Resultierende Zykluszeiten: 100 Mbps: 533 μs – Gigabit: 36 μs

Beispiel 3:

Ein großes Netzwerk mit 120 Stationen; jeweils 150 Byte Input und 100 Byte Output. Die asynchrone Bandbreite beträgt 300 Byte je Zyklus.

Resultierende Zykluszeiten: 100 Mbps: 3800 μs – Gigabit: 200 μs