Die ständige Verfügbarkeit des industriellen Ethernet-Netzes ist im Umfeld der Fertigungsprozesse ein unbedingtes Muss. Kommt es trotzdem zu einem Fehlerfall, ist durch eine schnelle Rekonfiguration die reibungslose Fortsetzung der Produktion zu gewährleisten. Die Weichen hierfür werden bereits in der Planungsphase gestellt - unter anderem was das Netzdesign und das dahinter stehende Redundanzkonzept betrifft. Um ein Netz aufzubauen, existieren hinsichtlich der Topologie vier verschiedene Ansätze: Stern-, Linien-, Ringstruktur oder auch eine Mischung aus den verschiedenen Topologien. Letzteres führt jedoch zu einer voll vermaschten und damit komplexen Struktur.

Die Linientopologie kommt vorwiegend bei Anlagen mit geringeren Anforderungen an die Verfügbarkeit zum Einsatz. Bei Ausfall eines Koppel-Elements, einer Verbindung oder eines Steckers ist in diesem Fall eine Kommunikation zwischen den einzelnen Teilnehmern beziehungsweise Maschinen nicht mehr möglich. Es bilden sich zwei Teilnetze die keine Verbindung untereinander haben. Resultat dieses „single point of failure" ist: Die Produktion wird unterbrochen, was unter Umständen mit hohen Kosten verbunden ist. Auch bei der vergleichsweise häufiger eingesetzten Sternstruktur entsteht bei Ausfall des zentralen Koppel-Elements - zum Beispiel eines Switch - ein „single point of failure" und die Kommunikation im Netz ist ebenfalls nicht mehr möglich. Dieses Problem lässt sich nur beseitigen, wenn das zentrale Koppel-Element aufwendig redundant ausgelegt wird, und bei Ausfall einer Komponente die Ersatzkomponenten automatisch und schnell auf eine Ersatzstrecke schalten.

Aufgrund dieser Restriktionen der Linien- und Sternstruktur fällt im industriellen Umfeld in punkto Netzdesign die Entscheidung meist zugunsten der Ring- Topologie. Diese ergibt sich, indem eine Linienstruktur mit Switches aufgebaut und die beiden Switches an den Enden der Linie miteinander verbunden werden. Auf diese Weise entstehen zwei Wege zwischen zwei beliebigen Teilnehmern, die an unterschiedlichen Switches angeschlossen sind. Die Krux dabei: Der Datennetzstandard Ethernet (IEEE802.3) erlaubt nur einen einzigen, also eindeutigen Datenpfad zwischen zwei beliebigen Teilnehmern. Ergo ist die Ringstruktur theoretisch nicht zulässig. Umgehen lässt sich diese Restriktion durch die Abschaltung einer Verbindung im Ring auf der logischen Ebene.

Das heißt: Die Verkabelung ist ein Ring, tatsächlich ist die Struktur aber eine Linie - jedoch mit dem großen Vorteil, dass sich eine logisch abgeschaltete Strecke automatisch zuschalten lässt, wenn im Ring eine Strecke ausfällt. Die Kommunikation kann somit weitergeführt werden.

Limitierungen bei den frühen IEEE-Protokollen

Für das Abschalten beziehungsweise Umschalten von redundanten Strecken gibt es so genannte Redundanz-Protokolle. Das bekannteste Verfahren aus dem Office- Netzbereich - das Spanning-Tree-Protokoll (STP) - existiert seit 1990 (IEEEStandard 802.1D). Allerdings hat dieser Standard einige Nachteile, die ihn für den industriellen Einsatz unbrauchbar machen:

• STP wurde vom IEEE ursprünglich nicht als Redundanz-Protokoll entwickelt, sondern um vor fehlerhaft aufgebauten Ethernet-Netzen zu schützen, bei denen aus Versehen ein geschlossener Ring konfiguriert wurde und das Netz dadurch nicht lauffähig wäre.
• Gemäß dem Standard sind nur maximal sieben Switches im Ring erlaubt.
• Nicht auszuschließen sind Datenpaketverlust, -verdopplung, kurzzeitige Loops und eine unkorrekte Datenpaketreihenfolge bei der Umschaltung.
• Die Zu- beziehungsweise Umschaltung einer redundanten Strecke ist unbestimmt und dauert zwischen 20 Sekunden und mehreren Minuten. In dieser Zeit können betroffene Teilnehmer nicht mehr miteinander kommunizieren.

Für ein industrielles Netz ist die beim Spanning-Tree-Protokoll übliche Umschaltzeit viel zu lange. Zahlreiche Applikationen vertragen eine Netzunterbrechung von mehr als fünf Sekunden nicht, stürzen ab oder „fahren herunter". Der dann erforderliche Wiederanlauf kann in der Industrie äußerst kosten- und zeitaufwendig sein. Bei der Kommunikation zwischen den Steuerungen minimiert sich die noch verträgliche Netzunterbrechung auf unter eine Sekunde, sprich die fünf Sekunden von dem Spanning Tree reichen hier unter keinen Umständen aus.

Die IEEE hat dieses Problem erkannt und in ihrem 802.1-Interim-Meeting in New Orleans im Oktober 2002 beschlossen, das Spanning-Tree-Protokoll aus dem Standard 802.1D herauszunehmen. Im neuen Standard 802.1D-2004 taucht nur noch das RSTP (Rapid-Spanning-Tree- Protocol) auf, welches abwärtskompatibel zum weit verbreiteten STP ist. RSTP bringt zwar eine höhere Performance, basiert aber nach wie vor auf der Topologie von STP und ist damit ebenfalls nicht das ideale industrielle Redundanz-Protokoll:

• Zu- beziehungsweise Umschaltung einer redundanten Strecke ist immer noch unbestimmt und dauert nun zwischen einer und fünf Sekunden.
• Maximal 32 Switches im Ring erlaubt.
• Nicht auszuschließen sind Datenpaketverlust, -verdopplung und kurzzeitige Loops sowie eine unkorrekte Datenpaketreihenfolge bei der Umschaltung.

Schematischer Aufbau eines MRP-Ringes: Der Ring besteht aus genau einem MRM (Medien Redundancy Manager) und den entsprechenden MRCs (Medien Redundancy Clients), an denen wiederum die einzelnen Endgeräte angeschlossen sind. Eine weitere Alternative ist, den MRC direkt in das Endgerät zu integrieren.

Mit bis zu fünf Sekunden dauert auch das Umschalten von RSTP für ein industrielles Netz zu lange. Hierauf beziehungsweise auf die Einschränkungen hinsichtlich der Switch-Anzahl haben verschiedene Hersteller industrieller Kommunikationssysteme reagiert und eigene Lösungen entwickelt, die den Anforderungen in der Industrie gerecht werden. Eine davon ist der 1999 vorgestellte Hiper- Ring, eine Entwicklung von Hirschmann und Siemens. Mit diesem proprietäten Redundanz- Protokoll hatte man eine deterministische Lösung mit einer Rekonfigurationszeit einer ausgefallenen Strecke von bis zu 5 ms bei aktuellen Komponenten (bis zu 40 ms bei 200 Switches) entwickelt. Auch waren jetzt mehr als 200 Switches in einem Ring möglich, mit entsprechend großer Ausdehnung.

Zu den weiteren Vorteilen der Hiper-Ring-Lösung zählen die einfache und schnelle Konfiguration via DIP-Switches - was besonders für den schnellen Austausch der Komponenten wichtig ist -, die freie Wahl der Datenrate (10/100/1000/10 000 MBit/s) und des Mediums (TP, Multimode, Singlemode etc.) im Ring sowie das Plug&Play-Verhalten. Nicht zuletzt lassen sich bei diesem Verfahren Ringe über zwei redundante Verbindungen ausfallsicher miteinander verbinden.