Ethernet Performance mit Fast Track Switch Laufzeit-Vergleich verschiedener Switching- Technologien im Automatisierungs-Netz

Folgende Typen wurden im Harting-Labor auf ihre Performance hin untersucht: – Fast Track Switch von Harting (FTS) – Unmanaged Switch von Harting (eCon) – Managed Switch von Harting (mCon) – Managed Switch eines Marktbegleiters (Profinet Conformance Class B) In der Netzwerktechnik wird zwischen den Switching-Technologien Store & Forward und Cut-Through unterschieden. Viele Industrial Ethernet Switche arbeiten im Store & Forward-Modus, wobei das empfangene Telegramm im Switch vor der Weiterleitung zwischengespeichert wird. Bei der Cut-Through-Technologie wird das Telegramm bereits nach dem Erkennen der Ziel-Ad­resse übertragen. Mit der neuen Harting-Technologie Fast Track Switching werden Automatisierungstelegramme (z. B. Profinet) identifiziert, gegenüber IT-Telegrammen priorisiert und im Cut-Through-Modus beschleunigt weitergeleitet. Ein Vergleich der unterschiedlichen Switching-Technologien kann durch die Bestimmung der Latenzzeit erfolgen. Dieser Kennwert beschreibt die Verweildauer eines Telegramms im Switch und wird im RFC 2544 bzw. RFC 1242 definiert. Darin werden die Messverfahren \’Store & Forward\‘ und \’Bit-Forwarding\‘ aufgeführt. In der Regel wird für den Store & Forward-Switch die Latenzzeit nach dem Store & Forward-Messverfahren und für den Cut-Through-Switch nach dem Bit-Forwarding-Messverfahren angegeben. Bei dem Store & Forward-Messverfahren wird die Zeitdauer der Telegrammlänge nicht berücksichtigt. Um aber die gesamte Telegrammlaufzeit in ei­nem Netz zu bestimmen und eine einheitliche Vergleichsgrundlage zu schaffen, wurde für die weiteren Untersuchungen das Messverfahren Bit-Forwarding verwendet. Die Telegrammlaufzeit in einem Netz hängt von Parametern wie Latenzzeit sowie Anzahl der verwendeten Switche, Netzlast, Telegrammlänge, Datenrate, Topologie, Teilnehmeranzahl und Kabellänge ab. Um diese Einflussparameter zu untersuchen, wurden Aufbauten mit einem Switch mit acht Geräten in einer Linientopologie sowie mit einem Applikationsbeispiel bestehend aus zwei bzw. acht Geräten (siehe Bild 5a bis d) gewählt. Verwendet wurde die Datenrate 100 Mbit/s, die Kabellänge betrug maximal acht Meter, der Datenverkehr erfolgte bidirektional. Einzelgerät Die Latenzzeitmessung an den Einzelgeräten erfolgte entsprechend RFC 2544, wobei ein Mittelwert aus 20 Einzelmessungen je Telegrammgröße bei maximalem Durchsatz gebildet wurde. Untersucht wurden die minimale und maximale Telegrammlängen 64 Byte und 1518 Byte (siehe Tabelle 1). Die Store & Forward-Switche weisen annähernd gleiche Latenzzeiten auf, demgegenüber wird durch die FTS-Technologie bei 64 Byte dieser Wert halbiert. Darüber hinaus ist beim FTS die Latenzzeit von der Telegrammlänge unabhängig. Linientopologie mit acht Switchen Um die Verhältnisse in einem Netz mit Linientopologie nachzubilden, wurden acht Switche entsprechend Bild 5c in gleicher Weise wie bei den Einzelgeräten vermessen. Wie zu erwarten, sind die Messwerte nahezu gleich der 8-fachen Latenzzeit, wobei die Kumulierung bei 1518 Byte langen Telegrammen zu einer Laufzeit von ca. 1ms bei Store & Forward führt (siehe Tabelle 1). Deutlich schneller überträgt der Harting FTS mit nur ca. 36µs. Applikationsbeispiel An einem Anwendungsbeispiel werden die Unterschiede der Switching-Technologien verdeutlicht. Hierzu wurde ein Praxisfall nachgebildet, bei dem eine Steuerungseinheit (z. B. SPS) auf einen Aktor (z. B. Antrieb) zugreift und parallel eine Büro-Applikation über den gleichen Netzwerkpfad abläuft (siehe Bild 6). Die in der Automatisierungstechnik typischerweise verwendeten kürzeren Telegramme können hierbei durch längere IT-Telegramme verzögert werden. Zur Vermessung wurden kurze Telegramme mit 64 Byte über einen Port und lange Telegramme mit 1.518 Byte über den zweiten Port eingespeist und in einer Linientopologie von zwei bzw. acht FTS übertragen (siehe Bild 5b und d). Da die Telegrammlaufzeiten lastabhängig sind, erfolgte eine Differenzierung mit minimaler und maximaler Durchsatzrate. Um eine maximale Durchsatzrate von 100% am Ausgang des ersten Switches zu erreichen, wurde der Datenverkehr am Eingang entsprechend Bild 7 gewählt. Die Durchsatzrate resultiert damit aus ca. 5% Last vom Port mit 64 Byte Paketlänge und ca. 95% Last vom Port mit 1518 Byte Paketlänge. Die im Bild 7 verwendeten Kürzel P und I stehen für die im Ethernet Standart festgelegte Präambel (8 Byte) und das Inter Frame Gap (Paketpause, minimal 12 Byte). Die minimale Durchsatzrate wur­de durch Vergrößerung des Inter Frame Gap am Port mit den langen Telegrammen erzielt (Teillast nahe 0%), dabei blieben die Verhältnisse am Port mit den kurzen Paketen unverändert. So­mit ergibt sich eine Durchsatzrate von ca. 5%. Zunächst erfolgte eine Betrachtung mit nicht beschleunigten Telegrammen, sodass ganz allgemein die Verhältnisse von Store & Forward gegeben sind. Die Telegrammlaufzeiten für die kurzen 64 Byte-Pakete sind in Bild 4 bzw. Tabelle 2 dargestellt. Besonders deutlich wird die große Streubreite der kumulierten Latenzzeiten zwischen minimaler und maximaler Durchsatzrate. Auffällig ist die maximal gemessene Telegrammlaufzeit im Store & Forward-Modus mit 887,6µs. Diese Zeit wird durch die 1518 Byte Telegramme verursacht. Beim Verlassen des Switches belegen die langen Pakete den Ausgangsport für eine Zeitdauer von ca. 123µs, sodass die kurzen Pakete mehrfach verzögert werden. Da am letzten Switch dieser Stau nicht auftritt, erfolgt diese Verzögerung maximal 7-fach. Zusätzlich wurde eine Kennlinie mit einer relativ geringen Durchsatzrate von 35% aufgenommen. Die dabei ermittelte durchschnitt­liche Telegramlaufzeit für acht Geräte liegt bereits bei 825,5µs. Dies bedeutet, dass in der Praxis bei Store & Forward kürzere Telegrammlaufzeiten eher selten auftreten. Im weiteren Verlauf wurden an den 64 Byte-Port Automatisierungstelegramme gesendet und die­se durch den FTS erkannt und beschleunigt. An den anderen Port wurden wie zuvor lange IT-Telegramme übermittelt. Erneut wurden die Telegrammlaufzeiten für die beiden Fälle mit maximaler und minimaler Durchsatzrate vermessen. Wie aus Bild 4 ersichtlich wird, verringert sich die Streubreite der Durchlaufzeit erheblich. Die maximale Telegrammlaufzeit für acht Switche wird von 887,6µs im Store & Forward-Betrieb auf 45,1µs reduziert (siehe Tabelle 2). Dies wird durch die Bevorrechtigung der erkannten Automatisierungstelegramme mit der FTS-Technologie erreicht. Bei sehr geringer Netzlast ergibt sich eine Laufzeit von 35µs, da hier annähernd die Verhältnisse der zuvor untersuchten Linientopologie vorliegen (siehe Tabelle 1). Fazit Bei der Untersuchung der Switching-Technologien weisen die überprüften unmanaged und managed Store & Forward-Switche annähernd gleiche Latenzzeiten auf, auch ein als Profinet Conformance Class B deklarierter Typ unterscheidet sich hiervon nicht. Demgegenüber wird durch die Harting Fast Track Switching Technologie bei kurzen Telegrammen die Latenzzeit um die Hälfte reduziert und bleibt darüber hinaus von der Telegrammlänge unabhängig. In einem Applikationsbeispiel mit acht Switchen wurde die deutlich schnellere Telegrammübertragung der FTS-Technologie gegenüber Store & Forward nachgewiesen. Die bei Store & Forward stark netzlastabhängig Laufzeitstreuung wird durch den Fast Track Switch signifikant verringert. HMI: Halle 11, Stand C13