Wenig Schichten und viel Norm – Der Erfolg des Ethernet

Vom Büro in die Fabrikhalle

26.03.2007 | Autor / Redakteur: Andreas Beuthner / Ulrike Ostler

Schicht um Schicht
Schicht um Schicht

Das OSI-Schichtenmodell hat im Bereich lokaler Netze (LAN) einen Standard hervorgebracht, der die Datenkommunikation in vielen Bereichen dominiert. Ethernet verbindet nicht nur die Rechner der Office-Welt, sondern macht zunehmend auch als Feldbus in der Fabrikhalle eine gute Figur.

Die Arbeitsgruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) gibt es seit mehr als 20 Jahren und sie veröffentlicht regelmäßig neue Spezifikationen für Ethernet-Varianten, die auf den OSI-Layern 1 und 2 basieren. Als paketvermittelndes Netzwerk nutzt Ethernet hauptsächlich die Protokollfamilie TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Die Seelenverwandschaft zum Internet-Protokoll-Stack und die regen Aktivitäten der Normungsgruppe haben aus dem Ethernet der Anfangsjahre die im LAN dominierende Netzwerktechnik gemacht. Die Alternativen wie Token Ring, FDDI oder ATM sowie die Konkurrenten von TCP/IP, allen voran NetBEUI (NetBios Extended User Interface) von Microsoft oder IPX (Internet Packet Exchange) von Novell, sind in lokalen Netzen auf dem Rückzug und führen allenfalls noch ein Nischendasein. Woher nimmt Ethernet die Kraft zum Netzwerk-Champion?

OSI-konform aber mit Unterschieden

Ethernet beruht auf der Übertragung von Datenpaketen oder so genannten Frames. Während das OSI-Referenzmodell für lokale Netze den Layer 2 bereits in die beiden Subschichten MAC (Media Access Control Sublayer) und LLC (Logical Link Control Sublayer ) unterteilt, geht das Ethernet-Referenzmodell einen Schritt weiter: Neben den primären Kontrollfunktionen für den Zugriff auf das Übertragungsmedium (MAC) gibt es noch den MAC Control Sublayer für die Flusskontrolle und den MAC Client Sublayer, der die Funktionen der LLC-Schicht, sowie die für den Betrieb von Bridges und Switches erforderlichen Funktionen beinhaltet.

Zudem kennt das Ethernet-Referenzmodell auf dem OSI-Layer 1 (Physical Layer) zahlreiche funktionale Unterscheidungen, die von der Serialisierung der Bitströme über Kollisionserkennung der Frames bis zum so genannten Media Independent Interface (MII) für Gigabit-Verbindungen reichen. Analog zum OSI-Modell stehen diese Funktionsgruppen in einer hierarchischen Beziehung zu einander. So wandern Bitströme über die Kodierungsschicht zur MII-Ebene, um dort mit Diensten der MAC-Schicht verbunden zu werden.

Die MAC-Subschicht arbeitet mit Datenblöcken. Die Ethernet-Frames sind so aufgebaut, dass ein OSI-konformes MAC-Level-Datenpaket eine bitgenaue Ziel- und Quelladresse enthält, die den Sende- und Empfangsvorgang sicherstellt. Die Funktion des LLC Sublayers besteht darin, eintreffende MAC-Datenpakete an die richtigen Treiberprogramme der OSI-Schicht 3 weiterzuleiten. Der grundlegende Zugriffsalgorithmus heißt Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) und funktioniert nur im Halbduplex-Betrieb (Informationen fließen in beide Richtungen, aber nicht gleichzeitig).

Switch regelt unfallfrei

Wegen der Nachteile von Netzwerken mit der anfangs von Ethernet favorisierten Bus-Topologie, erweiterte die IEEE-Arbeitsgruppe 802 zahlreiche Spezifikationen. Statt des Koaxialkabels wurde Ethernet um den Einsatz von verdrillten Kupferkabeln (Twisted-Pair-Kabel) der Kategorie drei und fünf sowie Glasfaserverbindungen ergänzt. Die Leitungsführung ist meist als Stern-Topologie mit Switches oder Hubs als Verteilstationen aufgebaut. Das Switched Ethernet kommt ohne Kollisionserkennung aus und unterstützt die Vollduplex-Übertragung.

Für ein Ethernet-LAN im Vollduplex-Betrieb ist das CSMA/CD-Verfahren überflüssig. Stattdessen kommunizieren alle Datenendgeräte über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen direkt miteinander. Im Vollduplex-Betrieb gibt es somit keine Kollisionen, keine Kollisionssignale und keine Kollisionsdomänen.

Ein Problem, das für den Vollduplex-Betrieb gesondert gelöst werden muss, ist die Flusskontrolle (Flow Control). Beim CSMA/CD-Verfahren kann ein überlastetes Datenendgerät die Übertragung seines Partners ganz einfach durch künstliche Kollisionen stoppen. Der Partner muss dann nach einer gewissen Wartezeit (Backoff-Algorithmus) die Übertragung wiederholen. Diese Vorgehensweise wird als Back-Pressure bezeichnet.

Bei Vollduplex-Betrieb finden keine Kollisionen mehr statt. Dafür gibt es einen Pause-Rahmen (Pause Frame), den das überlastete Datenendgerät an den Partner sendet, um ihm mitzuteilen, dass es keine weitere Daten mehr annehmen kann.

Robustes Ethernet für den Job Floor

Lange Jahre galt die fehlende Echtzeitfähigkeit des Ethernet als größtes Handicap im industriellen Umfeld. Die Laufzeiten der Daten im Netz waren nicht präzise vorhersagbar. Vor allem im Halbduplex-Betrieb bremsten Paketkollisionen die Netz-Performance – für industrielle Netze ein Alptraum.

Die Anforderungen bei Steuerungsaufgaben im Fertigungsbereich unterscheiden sich von der üblichen PC-Vernetzung der Office-Welt. In vielen Fällen wird eine Datenübertragung mit Zykluszeiten unterhalb von 10 Millisekunden erwartet. Heutige Maschinenkonzepte und Steuerungs-Prozessoren laufen aber mit Zykluszeiten von einer Millisekunde. Es gibt insbesondere in der Antriebstechnik Anwendungen, bei denen Zykluszeiten unter einer Millisekunde notwendig sind. Ein Beispiel sind synchron arbeitende Roboter.

Doch dies hat den Vormarsch des Ethernet in der Automatisierungswelt nicht aufgehalten. Während etablierte Feldbussysteme je nach Hersteller mit unterschiedlichen physikalischen Übertragungsarten arbeiten, punktet das Industrial Ethernet mit einem international anerkannten Standard. Mit dem Ethernet-Standard ist ein deutlicher Bandbreitensprung bei den Übertragungsgeschwindigkeiten von 12 Megabit pro Sekunde (Bussysteme) auf 100 Megabit pro Sekunde und sogar bis zu 10 Gigabit pro Sekunde möglich. Außerdem ist das Ethernet-Protokoll offen und ermöglicht eine vertikale Integration.

Die Spezifikationen des Industrial Ethernet decken sich mit IEEE 802.3, haben aber einige einsatzspezifische Zusätze, zum Beispiel in der Anschlusstechnik. Steckertyp und Pin-Belegung entsprechen dem RJ45-Standard, doch benötigen Produktionsnetzwerke besonders geschützte Stecker. Die gibt es mittlerweile, deren Bauform lässt aber nicht ohne weiteres eine Verbindung mit jedem Datenerfassungsgerät zu.

Fehlende Integrationsdichte

Switched Ethernet räumt zwar mit Kollisionen bei der Datenübertragung auf, setzt aber eine weitreichende Segmentierung der Netzwerke voraus. Die einzelnen Segmente müssen voneinander elektrisch getrennt sein, so dass angeschlossene Geräte nur solche Pakete sehen, die an sie adressiert sind.

Ein weiterer Trend ist das Einrichten von virtuellen LANs (VLANs) für die der Standard 802.1Q zur Verfügung steht. Im Ethernet-Umfeld sind damit keine größeren Eingriffe in die Netzarchitektur erforderlich, auch wenn verschiedenste Systeme und Komponenten in die Ethernet-Technik eingebunden sind.

Wenn es ein Erfolgsgeheimnis für Ethernet gibt, dann liegt dieses in der langjährigen Erfahrung im Umgang mit Schnittstellen, Topologien und Netzdesign sowie in den offenen Standards und publizierten Protokollen, die ihren Ursprung im ISO/OSI-Referenzmodell haben. Ob jedoch der Schulterschluss zwischen den Automatisierungs-Inseln der Fertigung und der Enterprise-IT damit gelingt, ist noch ungewiss. Viele Fachleute bemängeln immer noch die fehlende Integrationsdichte zwischen den zahlreich historisch gewachsenen Netzwerken.

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