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118 • ETHERNET

Netzwerkaufbau - Grundlagen und Richtlinien

5.2.4 Wichtige Begriffe

Datensicherheit

Soll ein internes Netz (Intranet) an das öffentliche Netz (z. B. Internet) angeschlossen werden, so ist die Sicherheit der Daten ein sehr wichtiger Aspekt.

Durch eine sogenannte Firewall können unerwünschte Zugriffe ausgeschlossen werden.

Bei der Firewall handelt es sich um eine Software oder eine Netzwerkkomponente, die ähnlich einem Router als Koppelglied zwischen Intranet und öffentlichem Netzwerk geschaltet wird. Die Firewall ist in der Lage Zugriffe ins jeweils andere Netz zu begrenzen oder auch komplett zu sperren, abhängig von der Zugriffsrichtung, dem benutzten Dienst sowie der Identifikation des Netzteilnehmers.

Echtzeitfähigkeit

Oberhalb der Feldbus-Systemebene sind i. Allg. relativ große Datenmengen zu übertragen. Die zulässigen Verzögerungszeiten dürfen ebenfalls verhältnismäßig große Werte annehmen (0,1...10 Sekunden).

Für das Industrie-ETHERNET innerhalb der Feldbus-Systemebene wird hingegen ein Echtzeitverhalten gefordert.

Bei ETHERNET kann z.B. durch die Einschränkung der Busbelastung (< 10 %) oder durch ein Master-Slave-Prinzip die Erfüllung der Echtzeitanforderungen nahezu realisiert werden.

Das MODBUS/TCP zum Beispiel ist ein sogenanntes Master/SlaveProtokoll. Hierbei sprechen die Slaves nur auf die Masterbefehle an. Bei der Verwendung von nur einem Master ergibt sich ein kontrollierter Datenverkehr auf dem Netz und Kollisionen werden vermieden.

Darüber hinaus kann der gezielten Einsatz der Switchingtechnologie die Echtzeitfähigkeit erhöhen.

Shared ETHERNET

Mehrere Knoten, die über ein Hub vernetzt sind, teilen sich ein gemeinsames Medium. Wird von einer Station eine Nachricht gesendet, so wird diese im gesamten Netz veröffentlicht und steht jedem angeschlossenen Knoten zur Verfügung. Die Weiterverarbeitung der Nachricht erfolgt jeweils nur durch den Knoten mit der richtigen Zieladresse. Durch das hohe Datenaufkommen können Kollisionen auftreten und Nachrichten müssen wiederholt übertragen werden. Die Verzögerungszeit ist bei einem Shared ETHERNET so ohne weiteres weder errechenbar noch voraussagbar.

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ETHERNET • 119

Netzwerkaufbau - Grundlagen und Richtlinien

Abb. 5-6: Prinzip von Shared ETHERNET

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Predictable ETHERNET

Übertragbare Nachrichten können durch die TCP/IP-Software oder das Anwenderprogramm in jedem Teilnehmer begrenzt werden, so dass Echtzeitanforderungen nahezu realisiert werden können. Dabei werden die maximale mittlere Nachrichtenrate (Telegramm pro Sekunde), die maximale mittlere Dauer einer Nachricht und der minimale Zeitabstand zwischen den Nachrichten (Wartezeit des Teilnehmers) beschränkt.

Die Verzögerungszeit einer Nachricht ist damit voraussagbar (predictable).

Switched ETHERNET

Bei einem Switched ETHERNET wird zur Kopplung mehrerer Feldbusknoten ein Switch eingesetzt. Gelangen zu dem Switch Daten aus einem Netzwerksegment, so speichert er diese und prüft, in welches Segment und zu welchem Knoten diese Daten gesendet werden soll. Die Nachricht wird dann ausschließlich an den Knoten mit der richtigen Zieladresse übermittelt. Das Datenaufkommen im Netz wird verringert, die Bandbreite erhöht und Kollisionen verhindert. Die Laufzeiten können definiert und berechnet werden, das Switched ETHERNET ist deterministisch.

Abb. 5-7: Prinzip von Switched ETHERNET

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Netzwerkkommunikation

5.3 Netzwerkkommunikation

Die Feldbus-Kommunikation zwischen Master-Anwendung und WAGO ETHERNET-Controller 750-841 kann entweder über das MODBUS-Protokoll oder über Ethernet/IP stattfinden.

Die Einordnung und die Zusammenhänge der Kommunikations-und Anwendungsprotokolle sollen anhand des Schichtenmodells verdeutlicht werden. Die einzelnen Protokolle sind im Anschluss detailliert erläutert.

5.3.1 Protokoll-Schichtenmodell

Ethernet:

Als Grundlage für den physikalischen Datenaustausch dient die

Ethernethardware. Die auszutauschenden Datensignale und das

Buszugriffsverfahren CSMA/CD sind in einem Standard festgelegt.

IP:

Über der Ethernethardware ist das Internet Protocol (IP) angeordnet. Dieses bündelt die zu übertragenden Daten in Pakete mit Absenderund Empfängeradresse und gibt diese Pakete nach unten an die Ethernet-Schicht zur physikalischen Übertragung weiter. Auf der Empfängerseite nimmt IP die Pakete von der Ethernet-Schicht in Empfang und packt sie aus.

TCP, UDP:

a) TCP: (Transmission Control Protocol)

Das über der IP-Schicht angeordnete TCP-Protokoll überwacht den Transport der Datenpakete, sortiert deren Reihenfolge und

fordert fehlende Pakete erneut an. TCP ist ein verbindungsorientiertes Transport-Protokoll.

Zusammengefasst werden die Protokoll-Schichten TCP und IP auch TCP/IP-Protokoll-Stapel oder TCP/IP-Stack genannt.

b) UDP: (User Datagram Protocol)

Die UDP-Schicht ist ebenso wie TCP ein Transport Protokoll, welches über der IP-Schicht angeordnet ist. Im Vergleich zum TCP-Protokoll ist UDP nicht verbindungsorientiert. Das heißt es gibt keine Kontrollmechanismen für den Datenaustausch zwischen Sender und Empfänger. Der Vorteil dieses Protokolls liegt in der Effizienz der übertragenen Daten und damit in der resultierenden höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit.

Viele Programme nutzen beide Protokolle. Wichtige Status-Informationen werden über die zuverlässige TCP Verbindung gesendet, während der Hauptstrom der Daten über UDP versendet wird.

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ETHERNET • 121

Netzwerkkommunikation

Anwendungsprotokolle:

Auf dem TCP/IP-Stack oder auf der UDP/IP-Schicht setzen entsprechend implementierte Anwenderprotokolle auf, die anwendergerechte Dienste zur Verfügung stellen. Dieses sind z. B. SMTP (Simple Mail Transport Protocol) für Emails, HTTP (Hypertext Transport Protokoll) für www-Browser und einige andere.

Für die Anwendung in der industriellen Datenkommunikation sind die Protokolle MODBUS/TCP (UDP) und Ethernet/IP implementiert. Das MODBUS-Protokoll setzt ebenfalls direkt auf TCP (UDP)/IP auf,

Ethernet/IP hingegen besteht zusammengefasst aus den Protokollschichten Ethernet, TCP und IP mit einem darauf aufsetzenden Encapsulation Protokoll. Dieses dient zur Anbindung an CIP (Control and Information Protocol).

CIP wird in gleicher Weise, wie von Ethernet/IP, auch von DeviceNet verwendet. Dadurch lassen sich Applikationen mit DeviceNet-Geräteprofilen sehr einfach auf Ethernet/IP überführen.

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