Anzeige
Anzeige
Anzeige
Beitrag drucken

Aufbau industrieller Netzwerke (Teil 1)

Skalierbare Switching- und Routing-Funktionen

Die Verbreitung des Ethernet-Standards findet auch in industriellen Netzen scheinbar keine Grenzen. Doch mit der ursprünglichen Definition von Ethernet haben die heute benutzten Mechanismen und erforderlichen Strukturen nicht unbedingt zu tun. Dabei steht die Frage im Raum, ob ein Layer-2-Netzwerk eine logische Struktur tragen kann oder ob dazu Layer-3-Geräte – also Router – erforderlich sind.

Scalance XM416-4C unterstützt einen modularen Aufbau durch Port Extender und Combo-Ports. Das Web-Interface ist für mobile Geräte ausgerichtet und kann per NFC gestartet werden. Bild: Siemens

Als Robert Metcalfe vor ungefähr 40 Jahren die erste Skizze von Ethernet entwarf, überzeugte der Ansatz durch Einfachheit: Mehrere Endgeräte verbinden sich über ein Medium zu einem ‚Jeder-mit-jedem‘-Kommunikationsnetz. Die Zugangs- und Übertragungsregeln waren im Rahmen des Verfahrens ‚Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection‘ (CSMA/CD) vorgegeben. Dabei werden sowohl die Zugriffsreihenfolge auf Basis der zeitlich ersten Anfrage als auch die Prüfung des Übertragungsmediums auf Verfügbarkeit und die Absicherung kollidierender Zugriffe geregelt. Diese Technik gab es in Ausprägungen wie 10Base2 oder ‚Cheapernet‘ sowie 10Base5 oder ‚Yellow Cable‘. Bei diesen Lösungen war es relativ umständlich, Endgeräte hinzuzufügen oder zu entfernen. Dieses Problem wurde später durch sogenannte Hubs als Koppelelemente gelöst, die eine sternförmige Topologie und damit strukturierte Verkabelung unterstützten.

Diese Hubs funktionierten im Gegensatz zu den später verwendeten Layer-2-Switches lediglich als Repeater. Entsprechend konnten die Mechanismen Carrier Sense und Collision Detection – bedingt durch die Signallaufzeiten – nur in räumlichen Grenzen sinnvoll funktionieren. Das Überschreiten dieser Grenzen gelang mit dem Einsatz von Ethernet-Bridges und der Separierung von Collision-Domains. Spätestens mit der Einführung von Gigabit-Ethernet und der Verwendung von Ethernet-Switches hat sich die Verwendung von ‚Full Duplex‘-Verbindungen etabliert: Indem getrennte Adern für das Senden und Empfangen genutzt wurden, waren Kollisionen auf der Leitung Geschichte. Im Gegensatz zu Repeaterfunktionen werden die Pakete in den Switches vollständig neu generiert – in der Regel unter Nutzung des ‚Store and Forward‘-Verfahrens.

Ethernet-Switching

Mit den Switches ergeben sich aber neue Herausforderungen, auch wenn die Technologie Probleme in den Feldern Zugriffskollision, Paketintegrität bei der Weiterleitung sowie Kommunikationsgeschwindgkeit und Topologiegröße der Netzwerke beseitigt hat. Denn damit ist nicht mehr das Kabel die begrenzende Größe sondern der Switch, der durch Pufferstrukturen und Warteschlangen- oder ‚Queueing‘-Mechanismen dafür sorgen muss, dass möglichst kein Paket verloren geht. Und wenn doch, dann bleibt die Wiederholung den oberen Protokollebenen überlassen, etwa dem ‚Transmission Control Protocol‘ (TCP) oder der Applikation. Die Forwarding-Regeln für Switches sind dabei relativ einfach:

  • Ethernet-Adressen der Teilnehmer werden erkannt und per Adresstabelle gespeichert, sobald sie an einem Port sichtbar werden.
  • Ethernet-Pakete, die an einen Teilnehmer gerichtet sind, sogenannte Unicasts, werden gezielt am entsprechenden Port ausgegeben, sofern der Teilnehmer bekannt ist.
  • Pakete an unbekannte Teilnehmer sowie Multicast- und Broadcast-Pakete werden an allen Ports ausgegeben.

google plus


Das könnte Sie auch interessieren:

Eine schnellere Markteinführung sowie Kostensenkungen sind im Fahrzeugbau dauerhafte Ziele. Dabei soll künftig das 3D-Druck-basierte System der Firma Rapid Fit helfen. Dieses setzt auf die additive Fertigung von Messvorrichtungen und Lehren in Verbindung mit leichten Carbonrohren.‣ weiterlesen

Wenn heute Künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt wird, dann in einem spezifischen vordefinierten Aufgabenbereich. Doch Intelligenz bedeutet mehr, als das selbstständige Lernen von neuen Fähigkeiten. Wie kann also die Zukunft der Künstlichen Intelligenz aussehen?‣ weiterlesen

Optimierungen im laufenden Produktionsprozess sind oft mit hohem Aufwand verbunden. Idealerweise setzt eine Optimierung also bereits bei der Planung an. Lean Factory Design soll mittelständischen Fertigungsunternehmen dabei helfen, ihre gesamte Produktion und Logistik schlanker und wettbewerbsfähiger aufzustellen.‣ weiterlesen

Seit DIN ISO9001:2015 sind gedruckte Handbücher für das Qualitätsmanagement (QM) nicht mehr zwingend, modernes Wissensmanagement ist dafür umso wichtiger. Die Punker GmbH findet mit einem Unternehmenswiki einen individuellen Weg, eher trockene Verfahrensanweisungen mit lebendigem Wissensaustausch zu verbinden.‣ weiterlesen

Im aktuellen Maschinenbau-Barometer der Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsgesellschaft PWC zeigen sich die befragten Maschinenbauer, mit Blick auf das globale Wirtschaftswachstum, pessimistischer als noch im Vorquartal. Für die deutsche Wirtschaft geht die Mehrheit der Befragten jedoch von einer positiven Entwicklung aus.‣ weiterlesen

Anzeige
Anzeige
Anzeige