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Industrielle Netzwerke ausfallsicher gestalten

Ethernet hat sich inzwischen nachhaltig in der Industrieautomation verbreitet. Ein redundantes Netzwerk, das stärker genutzt wird, entwickelt jedoch auch größere Anforderungen: Das System sollte in der Lage sein, viele verschiedene redundante Verbindungen zu unterstützen. Moxas Turbo Chain-Technologie adressiert diese Herausforderung.

Bild: Moxa

Eines der üblichen Probleme industrieller Ethernet-Netzwerke ist das Fehlen einer Technologie, die es auf einfache Art und Weise ermöglicht, hochverfügbare Netzwerke mit komplexen redundanten Verbindungen zu schaffen. Nichtsdestotrotz werden genau diese in zahlreichen Industriebereichen unbedingt gebraucht. Anwendungen mit flächendeckenden Ethernet-Netzwerken benötigen neben Redundanz auch Topologien, die sich flexibel auch über große Entfernungen spannen lassen. Hinzu kommen Herausforderungen wie schwierige Netzwerkerweiterung oder langsame Wiederherstellungszeiten nach Ausfällen. Viele Mechanismen können die Fehlertoleranz in Ethernet-Netzwerken verbessern. Die üblichsten sind Mesh-Netzwerke, das Spanning Tree Protocol (STP), Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) und proprietäre Ringredundanz.

Hohe Verfügbarkeit durch Mesh-Netzwerke

Einfache Installation, hohe Verfügbarkeit, schnelle Wiederherstellung bei Ausfall sowie zukunftssichere Erweiterbarkeit sind wichtige Kriterien für redundante Ethernet-Industrienetzwerke. Mesh-Netzwerke sind eine zuverlässige und robuste, jedoch auch kostenintensive Lösung, da sie mit viel Verkabelungsaufwand verbunden sind. Ein Mesh-Netzwerk ist ein Netzwerk, in dem es von einem Knoten zum anderen immer mehrere Verbindungen gibt. Diese Mehrfachverbindungen bilden eine Masche (Mesh). Daten, die im Mesh-Netzwerk übertragen werden, werden so konfiguriert, dass sie automatisch den kürzesten Weg nehmen. Mesh-Netzwerke sind zuverlässig und selbstheilend: Wenn ein Knoten ausfällt, findet das Netzwerk einen alternativen Weg, um die Daten zu übertragen. In einem solchen Netzwerk ist es höchst unwahrscheinlich, dass alle Knoten gleichzeitig ausfallen.

Spanning Tree Protocol: Aufwandsarm, aber langsam

STP lebt in Netzen mit starker Vermaschung, in denen es die Auswirkungen von Knotenausfällen minimiert. Das Protokoll, im IEEE 802.1D-Standard definiert, wurde entwickelt, um Netzwerk-Schleifen oder ‚Loops‘ zu verhindern, indem das Netzwerk in eine schleifenfreie Form gebracht wird. STP nutzt einen Algorithmus, um redundante Links in einem Netzwerk zu finden und bestimmte Pfade als Backup zu nutzen, damit Looping verhindert wird. Es erzielt Linkredundanz sowie Pfadoptimierung. Obwohl STP Schleifen verhindert und Netzwerkredundanz erzielt, hat es einige Nachteile, etwa eine langsame Wiederherstellungszeit von normalerweise rund 15 Sekunden nach Erstellung des Spanning Tree – zu lange für Industrieanwendungen.

RSTP hat eine etwas bessere Wiederherstellungszeit als STP, bleibt aber immer noch ungeeignet für betriebskritische Anwendungen: Um die langsame Konvergenz von STP zu überwinden, hat die IEEE den IEEE 802.1W-Standard verabschiedet, um STP zu verbessern. Die Wiederherstellungszeit hat sich dadurch auf eine Sekunde verkürzt. Für Echtzeit- oder betriebskritische Industrieanwendungen wie in der Fertigungssteuerung ist dies jedoch immer noch ungeeignet – hier muss die Wiederherstellung in unter 100 Millisekunden erfolgen, um die Zuverlässigkeit des Netzwerks garantieren zu können. STP und RSTP sind offene Standards, die in vielen Managed Ethernet Switches für Office-Netzwerke zum Einsatz kommen. In industriellen Steuerungsnetzwerken kann eine Sekunde Kommunikationsverlust jedoch bereits ernsthafte Probleme erzeugen. Die Fabrikautomation erfordert typischerweise den Einsatz von Maschinen, die wesentlich kürzere Ausfallzeiten erfordern, um sicheren Betrieb und präzise Prozessüberwachung zu garantieren und kostenintensive Systemausfälle zu verhindern.

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