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Ethernet-Standards 10BASE-T1S und 10BASE-T1L

Ethernet an der Kante der Betriebstechnik

Experten der IT und OT nähern sich aus ihren Welten heraus dem gleichen Problem an: Durchgängige Datenströme von der Maschinenebene hin zu nachgelagerten IT-Systemen einzurichten. Mit den neuen Technologien 10BASE-T1S- und 10BASE-T1L könnte dies künftig häufiger auf Basis von Singlepair-Ethernet-Standards geschehen.

 (Bild: Microchip Technology Inc.)

(Bild: Microchip Technology Inc.)

Industrielle IT-Systeme (auch OT abgekürzt) interagieren mit der physischen Welt durch Sensoren und Aktuatoren, die Informationen zwischen der realen Welt und den Bits und Bytes der digitalen Welt übersetzen. Daten von Drucksensoren, Thermometern und Näherungssensoren liefern Informationen an die digitalen Gehirne, die diese Systeme steuern. Ventilatoren, Heizungen, Motoren und andere Geräte wiederum lassen die digitale Welt auf die reale Welt wirken. Diese Interaktionen an den Rändern verschiedener Netzwerke haben typischerweise spezialisierte Technologien verwendet, die für die lokalisierte Verwendung optimiert sind. Sie wurden für die Anforderungen der jeweiligen Domäne konzipiert. Die Architektur führte zur Verwendung von anwendungsspezifischen Bussen. Ob in einem Auto oder einer Fabrik, diese verteilte, hardwaredefinierte Architektur erforderte komplexe Gateways, um Informationen zwischen verschiedenen Teilen des Systems zu übersetzen, bis die Daten schließlich in ein IT-Netzwerk gelangten. Dort angekommen, war es einfach, die Daten dorthin zu senden, wo sie benötigt wurden, da Ethernet den Transport von Daten überall hin vereinfachte, sobald die Daten richtig verpackt waren. Die Einfachheit von Ethernet erweitert seine Verwendung über typische Netzwerke der Informationstechnologie (IT) hinaus auf Netzwerke der Betriebstechnik (Operation Technology, OT). Die verteilte, hardwaredefinierte Architektur weicht zentralisierten, softwaredefinierten Netzwerken und Verbindungen. Die Systeme an den Rändern des Netzwerks können Daten im Ethernet-Format bereitstellen und zu Zonen werden, die mit Standard-Netzwerkverwaltungsmechanismen zu Systemen kombiniert werden können. Die Verwendung von Kommunikationsmechanismen des Internetprotokolls (IP) macht jedes Gerät für jedes andere Gerät und für zentrale Computerplattformen zugänglich.

Ethernet auf zwei Adern

Mit den neuen 10BASE-T1S- und 10BASE-T1L-Technologien, die durch offene Ethernet-Standards definiert sind, können die spezialisierten Busse, die jeweils kundenspezifische Hardware und Software erforderten, mit den damit verbundenen speziellen Fachkenntnissen und Herausforderungen jetzt auf Ethernet migrieren. Die Technologie verwendet ein einziges Kabelpaar, um verschiedene Geräte miteinander zu verbinden. Ethernet verfügt über eine gut definierte Softwareinfrastruktur, die sofort auf die Geräte am Rand eines OT-Netzwerks angewendet werden kann. Gut verstandene und weit verbreitete Sicherheitsmechanismen können genutzt werden, anstatt sie neu erfinden zu müssen, um Infrastrukturen zu schützen. Das Knowhow für die Arbeit an diesen Systemen ist ebenfalls weltweit verfügbar. Die Verwendung einer Ethernet-Architektur macht die zum Verschieben von Informationen benötigte Bandbreite skalierbar. Die meisten Geräte am Rand eines Netzwerks verbrauchen bzw. erzeugen kleine Datenmengen. Wenn Geräte miteinander verbunden werden, werden die Daten aggregiert, und höhere Ebenen des Netzwerks erfordern mehr Bandbreite. Ethernet macht es einfach, eine Verbindung schneller zu machen, da nur die physikalische Schicht auf niedriger Ebene geändert werden muss, ohne die Software-Stacks darüber zu beeinträchtigen. 10BASE-T1S und T1L lassen sich daher einfach zu bestehenden Infrastrukturen hinzufügen.

Durchgängige Datenströme mit Ethernet-Technologie. (Durchgängige Datenströme mit Ethernet-Technologie. (Bild: Microchip Technology Inc.)

Durchgängige Datenströme mit Ethernet-Technologie. (Durchgängige Datenströme mit Ethernet-Technologie. (Bild: Microchip Technology Inc.)

Multidrop-Bus statt Punkt-zu-Punkt

10BAE-T1S führt eine Funktion ein, die das Verbinden einfacher Geräte weiter vereinfacht. Anstelle der für IT-Systeme typischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet ein Multidrop-Bus ein einzelnes Adernpaar, um verschiedene Geräte miteinander zu verbinden. Ein Standard-Ethernet-Switch kann einen 10BASE-T1S-PHY an einem seiner Ports verwenden und dann Daten von seinen Teilnehmern an Ports mit höherer Geschwindigkeit weiterleiten, die zu anderen Teilen der Datenverarbeitungsinfrastruktur führen. Es ist keine Übersetzung oder Umverpackung der Informationen erforderlich, da die Ethernet-Pakete einfach unverändert an die nächsthöhere Ebene des Netzwerks gesendet werden können. Es funktioniert wie die Straßen einer Stadt, wo kleine, langsame Nachbarschaftsstraßen zu schnelleren Straßen und schließlich zu den schnellsten Autobahnen führen.

IT- und OT-Welt vor gleichen Problemen

Durch die Verwendung einer Standardtechnologie lassen sich Skaleneffekte nutzen. Zudem ist die Entwicklung benutzerdefinierter Netzwerke und Verbindungen oft zeitaufwendig und kostspielig. Experten aus der IT- und OT-Welt beschäftigen sich mit den gleichen Problemen der Schnittstellen zwischen Sensoren und Aktuatoren und bewegen sich in Richtung softwaredefinierter Verbindungen, die es ihnen ermöglichen, komplexe Systeme einfacher zu entwerfen und neu zu konfigurieren. Ethernet bis an den Rand der OT-Netzwerke zu bringen, kann die Flexibilität bei der Übertragung von Daten und der Steuerung von Systemen weiter erhöhen. Die SPE System Alliance geht davon aus, dass es bis 2030 50 Millionen Single Pair Ethernet (SPE)-Knoten geben wird, darunter solche mit 10MBit/s sowie schnellere Lanes mit 100 und 1000MBit/s. Halbleiterhersteller haben bereits die für die Implementierung von Geräten erforderlichen Siliziumprodukte auf den Markt gebracht. Stecker- und Kabelhersteller verfügen über die notwendigen Produkte, um Geräte miteinander zu verbinden, und Gerätehersteller bringen bereits die ersten Produkte auf den Markt.


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