Fast Track Switching przyspiesza komunikację w sieciach przemysłowych

Rys. 1. Przykładowe zastosowania systemów komunikacyjnych w automatyce

Dla zagwarantowania pracy elementów sieci w czasie rzeczywistym i uniknięcia awarii, opóźnienia w transmisji ramek powinny być zredukowane do absolutnego minimum, a komunikacja mieć charakter deterministyczny. W laboratorium firmy Harting (CTS) przeprowadzono porównanie technologii Fast Track Switching i konwencjonalnej technologii przełączania realizowanej przez zarządzalny przełączniki dla sieci Profinet.

Zmierzono przy tym opóźnienia dla sieci w topologii liniowej. Dwie różne technologie przełączania stosowane w sieci to store & forward i cut-through. Wiele ethernetowych przełączników przemysłowych pracuje w technologii store & forward, gdzie przychodzące ramki są tymczasowo zapisywane w pamięci urządzenia, a następnie przekazywane dalej.

W technologii cut-through ramki są transmitowane jak tylko rozpoznany zostanie adres docelowy. W przypadku Fast Track Switching firmy Harting ramki automatyki (np. sieci Profinet) uzyskują priorytet przed ramkami IT i przesyłane są dalej w trybie cut-through. Te różne technologie przełączania mogą być porównane pod względem wartości opóźnień. Parametr ten, który określa czas przebywania ramki w przełączniku, zdefiniowany jest w dokumentacji RFC 2544 i RFC 1242.

OPÓŹNIENIE DLA POJEDYNCZEGO URZĄDZENIA

W testach porównawczych zestawiono opóźnienia ramek o długości minimalnej 64 bajtów i maksymalnej 1518 bajtów (patrz tabela 1). Pomiarów dokonano dla szybkości transmisji równej 100 Mb/s przy maksymalnej długości kabla 8 metrów, transmisji dwukierunkowej, przy czym dla wyznaczenia opóźnień zastosowano metodę przekazywania bitów.

Technologia FTS zredukowała opóźnienie dla ramek 64-bitowych o połowę w porównaniu z technologią store & forward przy wykorzystaniu przełącznika dla sieci Profinet. Opóźnienie dla urządzenia wykorzystującego FTS było niezależne od długości ramki.

OPÓŹNIENIE RAMEK W SIECI

Rys. 2. Przykłady obciążeń przy pełnej szybkości transferu

Opóźnienie ramek w sieci zależy od latencji, liczby przełączników, obciążenia sieci, długości ramki, szybkości transmisji danych, topologii, liczby użytkowników oraz od długości kabla. Dla sprawdzenia wartości parametrów zastosowano konfigurację od dwóch do ośmiu urządzeń w topologii liniowej.

Dla tych konfiguracji odtworzono przypadek, w którym sterownik (np. PLC) komunikował się z elementem wykonawczym (np. napędem) i jednocześnie w tej samej sieci pracowała aplikacja biurowa (patrz rys. 1).

W takiej sytuacji krótsze ramki stosowane w sieciach automatyki mogą być opóźniane przez dłuższe ramki IT. Istnieje możliwość porównania technologii store & forward i Fast Track Switching, wykorzystaniu konfiguracji z urządzeniami FTS.

Te ostatnie pracują bowiem w trybie store & forward, jeżeli do przełącznika nie są przesyłane ramki automatyki. Pomiarów dokonano, przesyłając krótkie, 64-bajtowe ramki do jednego portu i długie ramki (1518 bajtów) do drugiego portu. Ponieważ opóźnienie ramek zależy od natężenia ruchu, wystąpiła różnica między minimalną a maksymalną przepustowością.

Ruch danych na wejściu został tak dobrany, aby osiągnąć maksymalną przepustowość wyjścia pierwszego przełącznika (rys. 2). Wynikowa przepustowość wyniosła około 5% obciążenia portu z pakietami o długości 64 bajtów i około 95% obciążenia portu z pakietami 1518 bajtów.

Skróty P oraz I (rys. 2) oznaczają preambułę (8 bajtów) i przerwę międzyramkową (min. 12 bajtów) zdefiniowane w standardzie ethernetowym. Minimalną przepustowość uzyskano, zwiększając przerwę międzyramkową na porcie z długimi ramkami (obciążenie częściowe potencjalnie 0%). Warunki na porcie z krótkimi pakietami nie zostały zmienione. Dało to przepustowość około 5%.

PRZEBIEG EKSPERYMENTU

Rys. 3. Opóźnienia czasu przesyłu ramek w funkcji liczby przełączników, szybkości transferu i sposobu przełączania pakietów 64-bitowych

Badania przeprowadzono najpierw z ramkami nieprzyspieszanymi (opóźnienia ramek 64-bajtowych przedstawiono na rys. 3). Maksymalne zmierzone opóźnienie ramki w trybie store & forward wynoszące 887,6 μs jest wyraźne. W tym przypadku jest ono spowodowane ramkami o długości 1518 bajtów. Opuszczając przełącznik, długie pakiety "zajmują" port wyjściowy na około 123 μs i przez to krótkie pakiety są opóźniane wielokrotnie.

Ponieważ owo wąskie gardło nie występuje na ostatnim przełączniku, opóźnienie jest maksymalnie siedmiokrotne. Zarejestrowano również krzywą odpowiedzi z relatywnie niską przepustowością. Przeciętne opóźnienie ramek dla ośmiu urządzeń wyniosło tutaj już 825,5 μs. Oznacza to, że w rzeczywistych aplikacjach opóźnienia krótkich ramek będą występowały rzadko dla trybu store & forward.

Eksperyment obejmował również wysyłanie ramek automatyki na port 64-bajtowy. Układ FTS rozpoznawał je i przyspieszał ich transmisję. Podobnie jak poprzednio, długie ramki IT wysyłane były na drugi port. Po raz kolejny zmierzono opóźnienie ramek dla dwóch przypadków z minimalną i maksymalną przepustowością.

Na rysunku 3 pokazano, że rozrzut opóźnień ramek został znacznie zmniejszony. Maksymalne opóźnienie ramek dla ośmiu przełączników zostało zredukowane z 887,6 μs w trybie store & forward do 45,1 μs. Było to możliwe, ponieważ technologia FTS pozwala ramkom automatyki być przesyłanymi wcześniej.

WYNIKI

TABELA. Porównanie omawianych technologii komunikacyjnych

Rezultaty pomiarów wykazały przewagę technologii Fast Track Switching firmy Harting - opóźnienie w transmisji z jej zastosowaniem dla krótkich ramek jest dwukrotnie niższe niż w przypadku zastosowania konwencjonalnego przełącznika zarządzalnego w sieci Profinet klasy B.

Nie zależy ono przy tym od długości ramki. W przykładzie z ośmioma przełącznikami w topologii liniowej wykazano, że transmisja w technologii FTS jest znacznie szybsza, niż dla samego tylko trybu store & forward. Przełącznik pracujący w FTS znacznie redukuje rozrzut opóźnień dla trybu store & forward, który to rozrzut silnie zależy od obciążenia sieci.

PERSPEKTYWY ROZWOJOWE

Funkcje zarządzania i stos Profinet nie wpływają na parametry przesyłania. Ten ostatni zapewnia jednak możliwość konfiguracji oraz diagnostyki przełącznika. W następnym etapie firma Harting również zaoferuje zarządzalny przełącznik FTS z możliwościami stosu Profinet IO i różnorodnymi funkcjami zarządzania. Stos Profinet IO uprości konfigurację i diagnostykę urządzeń w środowisku Profinet U.

Przełączniki zintegrowanie są w biblioteki urządzeń poprzez standardowy plik GSD takimi narzędziami konfiguracyjnymi dla planowania projektów sieciowych jak Siemens Step 7. Podczas pracy wyniki diagnostyczne transferowane są do środowiska sterowania w postaci standardowej, przez co można ich używać w tradycyjny sposób.

Omawiane udogodnienia ułatwiają pracę z komponentami bez wpływania na ich parametry. Kombinacja technologii Fast Track Switching z systemem komunikacji standardowego Ethernetu spełni również wymagania stawiane systemom automatyki. W konsekwencji idea spójnego Ethernetu od poziomu sterowania do warstwy urządzeń polowych stała się rzeczywistością.

Torsten Halstenberg
Thomas Korb
Julia Noel
Harting
www.harting-fts.de/en