Applikationsschichten

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1 Applikationsschichten
Anwendungs- orientiert Physical Layer Data Link Layer Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer 7 6 5 4 Transport- orientiert OSI-Referenzmodell Die 7 Schichten des OSI-Referenzmodell können in zwei Bereiche eingeteilt werden : 1. Transportorientierte Schichten (Schicht 1 - 4) 2. Anwendungsorientierte Schichten (Schicht 5 - 7) In den Transportorientierten Schichten werden alle den Transport der Daten betreffenden Aufgaben erledigt. Dazu gehört u. a. der Zugriffsmechanismus auf das Medium (z. B. CSMA/CD), die Wegsuche, das Segmentieren und wieder zusammenbauen der Daten sowie die Prüfung der Daten auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Die anwendungsorientierten Schichten sind für den Verbindungsaufbau, das Aufrechterhalten einer Verbindung, den Abbau einer Verbindung und die Darstellung der Daten zuständig. Darüber hinaus stellen die anwendungsorientierten Schichten die Schnittstelle zur eigentlichen Anwendung dar. Hier sind Dienste und Funktionen definiert, die der Anwendung die Möglichkeit geben, über die Transportschichten einen Datenaustausch zu einem anderen Teilnehmer auszuführen. 3 2 1 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 1

2 Applikationsschichten
Anwendung 7 H T P Application Layer F T P S M T P Anwendungs- orientiert 6 Presentation Layer 5 Session Layer 4 Transport Layer Applikationsschichten Bei den heute gängigen anwendungsorientierten Schichten findet nicht mehr die klassische Unterteilung (wie im OSI-Model definiert) ist statt. Das bedeutet, dass die Dienste und Funktionen der einzelnen Schichten (soweit notwendig) vorhanden sind, aber eben für eine bestimmtes anwendungsorientiertes Protokoll komplett beschrieben sind (keine separate Definition für Layer 5-7). Einige bekannte Vertreter von anwendungspezifischen Protokollen sind z. B. HTTP, FTP oder SMTP. HTTP Hyper Text Transfer Protocol HTTP ist ein einfaches Request-Respose-Protokoll zum übertragen von Dokumenten. HTTP stellt eine Verbindung nur für die Dauer einer Dokumentanforderung her. Das bedeutet, für die Anforderung einer einzigen Internetseite auf einem Rechner, mehrere TCP-Verbindungen zu einem oder verschidenen Servern hergestellt werden. FTP File Transfer Protocol Das File Transfer Protocol (FTP) dient zur (wechselseitigen) Übertragung von Dateien im Internet. Das können z.B. freeware, shareware, demos oder auch Textdateien sein. Auch zum Aufspielen von HTML- Seiten auf einen WWW-Server wird dieses Protokoll verwendet. FTP-Server sind Computer, die über das Telefonnetz miteinander verbunden sind. Der Kontakt zu einem anderen Rechner (FTP-Server, Remote System) mittels FTP vermittelt den Eindruck, als seien dessen Laufwerke mit ihren Verzeichnissen und Dateien Teil des eigenen Rechners, des Lokal Systems. Man kann sich in dessen Directories so bewegen, als wären es die eigenen. SMTP Simple Mail Transfer Protocol --> - elektronische Post Der -Dienst war der erste Internet-Dienst. Mit dem Versenden von elektronischer Post wurde das Internet aus der Taufe gehoben. Dazu bedient man sich der beiden Protokolle: SMTP = Simple Mail Tranfer Protocol (Versenden von ) POP 3 = Post Office Protocol (Empfangen von ) ist bis heute die populärste Kommunikationsform im Internet. Ein bedeutender Teil der schätzungsweise 40 bis 60 Millionen Menschen im Internet nutzen ausschließlich diesen Dienst. Es ist damit zu rechnen, daß in den nächsten Jahren klassische Kommunikationsmedien wie Telefax und Briefpost in vielen Bereichen ablösen wird. Anwendungen wie Netscape, Internet-Explorer, Outlook, ... nutzen diese anwendungsorinetierten Protokolle. 3 Network Layer Transport- orientiert 2 Data Link Layer 1 Physical Layer Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 2

3 Applikationsschichten
Industrial Ethernet SMTP FTP HTTP Application TCP UDP Transport Internet Protocol Network Applikationsschichten Mit TCP ist ein verbindungsorientierter und sicherer Datenverkehr garantiert. Sollen zeitkritische Daten übertragen werden, steht auf Layer 4 UDP zur Verfügung. Dank Internet-Protokoll ist die weltweite Vernetzung, auch von Automatisierungsanlagen, kein Problem mehr - und Ethernet mit Switches wird Ethernet sogar Echtzeitfähig. Alle Voraussetzungen für den industriellen Einsatz sind scheinbar geschaffen. Was ist jedoch mit der Schnittstelle zum Anwendungsprozeß ? Erst die Standardisierung eines einheitlichen Application Layer Protokolls garantiert die Interoperabilität von Automatisierungskomponenten verschiedener Hersteller. Die bisherigen Spezifikationen und Festlegungen für die anwendungsorientierten Schichten bezogen sich bislang ausschließlich auf die IT-Welt. Diese Definitionen entsprechen jedoch weitgehend nicht den Anforderungen der industriellen Kommunikation. Also muß eine standardisiete Anwenungsschicht her. ARP Ethernet IEEE 802.3 Data Link & Physical Layer Definierte Standards Application Layer für Industrial Ethernet Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 3

4 Applikationsschichten für die Automatisierung
PROFI Net Interbus & Ethernet IDA (Interface for Distributed Automation) EtherNet IP (Industrial Protocol) Industrial Ethernet Applikationsschichten Wie so oft in unserer Automatisierungswelt versuchen nun unterschiedlichste Organisationen / Kooperationen oder auch einzelne Hersteller eine einheitliche Anwendungsschicht für die industrielle Nutzung von Ethernet-TCP/IP zu spezifizieren. Das Ergebnis : zur Zeit gibt vier unterschiedliche Ansätze für eine einheitliche Anwendungschicht !! 1. Phoenix pflanzt TCP/IP in das Interbus-Protokoll ein (ähnlich den PCP- Kommandos) und macht damit z.B. einen File-Transfer (FTP) zu intelligenten Feldgeräten möglich. 2. Die Vereinigungen der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), der CI (ControlNet International) und der IEA (Industrial Ethernet Association) haben das Ethernet/IP (Industrial Protocol) definiert (und alles wird gut in Nordamerika). Diese Spezifikation ist offengelegt und kann von jedem Hersteller benutzt und in seine Geräte implementiert werden. Im wesentlichen beschreibt dieser Standard die Abbildung der CAN/DeviceNet/ControlNet-Layer 7 auf Ethernet-TCP/IP (CIP --> Control & Information Protocol). 3. Die IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance) braucht natürlich einen europäischen Standard und hat das IDA „Interface for Distributed Automation“ spezifiziert. IDA ist (nach IAONA-eigener Definition) mehr als nur ein Layer 7 - Standard. Neben den üblichen Schicht 7 Funktionen wie z.B. der Beschreibung der Schnittstelle zum Anwenderprozeß, Definition von Echtzeit-Daten-Protokollen sowie der Nutzung von HTTP oder FTP beinhaltet IDA auch Definitionen über Gerätebschreibungen mit XML oder Definitionen über Verwaltung von Variablen und Daten in einem einheitlichen Datenpool. 4. Die PNO schlußendlich sieht ihr Heil in der Abbildung des Profibus auf Ethernet mit der Spezifikation von PROFInet. Dieser Ansatz versteht sich als Ergänzung zum bewährten PROFIBUS-Standard. Ziel ist die sogenannte „Vertikale Integration“, die durchgängige Kommunikation von Bütowelt uber die Leitebene bis hin zur offenen, verteilten Automatisierung. Wichtig bei diesem Ansatz ist, das vorhandene PROFIBUS-Netze über sogenannte „Stellvertreter“ (Proxy) in das neue Konzept integrierbar sind. 5. B & R, also Bernecker & Rainer, umgeht jegliche Kooperation und stellt mit einer eigenen Master-/Slave-Implementierung auf TCP/IP-Basis eine Produktreihe unter dem Label „Ethernet Powerlink“ in den Markt und diesen weiter vor die Qual der Wahl. Also, wie immer alles wieder ganz einfach und alle Geräte (die da noch kommen sollen) natürlich interoperabel (im jeweiligen Quasi-Standard). TCP (UDP) / IP Ethernet Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 4

5 SIMATIC NET - Industrial Ethernet
HTML Prozesskontrolle Router Internet SIMATIC NET Industrial Ethernet Mit „Industrial Ethernet“ von Siemens steht Ethernet mit TCP/IP für die Automatisierung zur Verfügung. Damit ist es möglich, verschiedene Automatisierungsgeräte miteinander (über TCP/IP) zu vernetzen und über spezielle Send/Receive-Kommandos Daten auszutauschen. Zusätzlich können die Geräte z.B. über Internet s verschicken. Da die Geräte als Web-Server arbeiten können, ist der Zugriff auf die im Gerät hinterlegten Seiten mit einem Standard-Browser möglich. Das bedeutet eine weltweite Prozeßkontrolle bzw. Verfügbarkeit von Daten über Internet. Zeitkritischer Datenverkehr muß natürlich auf dem „klassischen“ Weg über die Abgrenzung einzelner Netzsegmente durch Switches erfolgen, die dann nur diejenigen Telegramme durchlassen, die auch wirklich in anderen Segmenten benötigt werden; die standardmäßige Vermeidungsstrategie von hoher Netzlast und somit potentiellen Kollisionen auf dem Medium. Diese Hardware muß selbstverständlich geplant, konfiguriert und bezahlt werden ! HTML Prozesskontrolle Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 5

6 Die Tunnelmethode - Ausbruch aus dem Investitionsdilemma
RUN ! Ethernet (TCP/IP) TCP/IP im Parametrierkanal Ethernet on Interbus Phoenix bemüht im Moment die sogenannte Tunnel-Lösung, um Ethernet und TCP/IP an Geräte anzubinden. Dabei werden die Ethernet-Telegramme in den Parametrierkanal von Interbus „eingepackt“ und über das Interbus-Kabel weitergeleitet. Die Vorteile dieser Methode sind, daß „alte“ Interbus-Teilnehmer ohne weiteres mit neuen Geräten im Interbus-Strang weiterbetrieben werden können, weil sie die zusätzlichen, eingepackten Informationen einfach nicht auswerten und daß der normale zyklische Prozeßdatenverkehr durch die zusätzliche Ethernet-Kommunikation nicht belastet wird. Klarer Nachteil ist, daß der Parametriekanal von Interbus nur relativ geringe Datenmengen verkraftet, so daß die Übertragung eines einzigen Ethernet-Telegramms ca. 15 Interbus-Zyklen benötigt, was bei einer Standardbaudrate des Interbus von 500 kBit/s nur etwa die Leistungsfähigkeit einer 14,4 kBit/s Modem-Verbindung erzielt wird. Mit der neuen 2 Mbit/s-Interbus-Technik läßt sich das auf etwa ISDN-Leistungsfähigkeit steigern. Diese Lösung eignet sich also bestenfalls für die Abfrage von Zustands- und Diagnosedaten oder für Parameterübertragung. Da Phoenix allerdings kontinuierlich sein Produktsortiment um Ethernet-Hubs, -Switches, Gateways, etc. erweitert, könnte es möglich sein, daß auch dort an einer anderen Lösung gearbeitet wird (iDA). Interbus Interbus Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 6

7 Verpackungstechnik einmal anders: Encapsulation
Ethernet/IP (Industrial Protocol) Anwender- Geräte- Profile Halbleiter Pneumatik Antriebe Positionier- steuerungen Andere CIP Anwendungsschicht Bibliothek von Anwendungs-Objekten Anwen- dungen CIP Datenverwaltungs-Dienste Explizite Nachrichten, E/A-Dienste CIP (Control and Information Protocol) (Presentation) (Session) CIP Nachrichtenübermittlung, Verbindungs-Verwaltung ControlNet Transport DeviceNet CDTMA CSMA/NBA Phys. Schicht Encapsulation Transport Die Kapselung (Encapsulation) Einen anderen Ansatz nehmen Allen-Bradley und die ODVA (Open DeviceNet Vendors Association), die HSE-Technologie der Fieldbus Foundation sowie Schneider mit Modbus-TCP/IP. Hier werden die jeweiligen Protikolle und Mechanismen in TCP/IP bzw. UDP/IP-Telgramme eingepackt und über Ethernet verschickt. Auf diese Weise wird natürlich das Ethernet im Grunde genommen lediglich als alternatives Transportmedium verwendet. Vorteile dieser Methode liegen auf der Hand: - Gute Abwärtskompatibilität zu den zugrunde liegenden Feldbus-Protokollen - Geringer Entwicklungsaufwand, da die Protokolle nur als Nutzlast im Standard TCP/IP mitfahren Ein klarer Nachteil liegt darin, daß die CIP- oder Feldbusdaten in die einzelnen TCP/IP und Ethernet-Protokollschichten eingebettet werden müssen und somit für jede Schicht einen zusätzliche Header bekommen. Das Verhältnis zwischen Overhead und Nutzdaten wird somit im Vergleich zu den ursprünglichen Feldbussen immer schlechter, so daß sich nicht nur aus Gründen der schlechten Deterministik, sondern auch aus Effizienzgründen eher Programmdownloads als E/A-Daten für den Transport eignen. IP TCP UDP Ethernet CSMA/CD physikalische Schicht Netzwerk ATM USB Fire Wire ... Data Link Physical Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 7

8 Der Echtzeit-Ansatz: iDA
Einheitliche Anwenderschnittstelle (API) Echtzeit- kommunikation NDDS HTTP FTP SMTP Schicht 5 -7 TCP UDP IP Ethernet IEEE 802.3 Feldbusse für schnellen E/A-Transport z.B. ASi Der Echtzeit-Ansatz: iDA mit der Organisation IAONA iDA ist ein vollständig neuer Versuch, ohne die „Altlasten“ der traditionellen Feldbussysteme eine durchgängige Kommunikationslösung in allen Ebenen der Automatisierungstechnik über Ethernet zu schaffen. Auf der Basis eines Echtzeit-Kommunikationssystems (dem NDDS) der amerikanischen Firma RTI wird oberhalb der Schicht vier ein „Publisher-Subscriber“-Modell installiert, so daß die einzelnen Kommunikationsbeziehungen zwischen den Teilnehmern nicht explizit aufgebaut werden müssen. Der Publisher stellt die Daten als Broadcasrt zur Verfügung und alle diejenigen, die sich für eine bestimmte Nachricht interessieren, können diese dann mitlesen. Dieses NDDS ist auf TCP und UDP mit IP optimiert und schon einige Zeit verfügar. Darüberhinaus schließt iDA ein systemübergreifendes Objekt-Modell ein, das verteilte Automatisierungssysteme im Sinne von automatischer Ressourcenverteilung unterstützt, sowie ein WEB-basiertes Geräte-Management, d.h. daß alle Geräte individuelle Web-Seite beinhalten, in denen Diagnose- und Konfigurationsdaten abgelegt sind, die über Standard-Browser abgerufen werden können. In der IAONA finden sich Firmen wie Wöhrle, Jetter, Selectron, Wieland, Wago, Omron, ABB, Schleicher, KUKA, Saia und interessanterweise auch Phoenix Contact wieder. Schicht 4 Schicht 3 Schicht 1 - 2 Inhalt der iDA-Spezifikation Etablierte Standards Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 8

9 ProfiNet - Die Stellvertreter-Lösung
1 World Wide Web Ethernet Stellvertreter (Proxy) Auto- matisierungs- gerät Intelligentes Feldgerät Intelligenter Antrieb ProfiNet Der nächste Ansatz, derjenige der PNO nämlich, verbindet zwei Strategien miteinander: das sogenannte Stellvertreter-Prinzip (Proxy), vom Prinzip die Einbindung eines kompletten „konvetionellen“ Feldbusstranges über ein Gateway (Ethernet-Teilnehmer/Profibus DP-Master), aber andererseits auch das Objekt-Modell verteilter Automation. Ersteres Merkmal zielt darauf ab, die vorhandenen Investitionen sowohl bei Herstellern als auch bei Anwendern zu sichern, da die bestehenden vernetzten Geräte weiterverwendet werden können. Auf diese Art und Weise lassen sich außerdem auch „einfahe“ Slaves, wie z.B. Sensoren, Aktoren und E/A-Module weiterhin in der gewohnten Weise verwenden, ohne auch diesen vergleichsweise simplen und notwendigerwweise kostensensitiven Produkten aufwendige zusätzliche Kommunikationsstacks einpflanzen zu müssen. Im Sinne des Ansatzes für die „Verteilte Automation“ werden Schnittstellen für sogenannte technologische Module definiert, in denen die mechanischen, elektrischen und Software-Komponenten zu Objekten mit standardisierten Schnittstellen zusammengefaßt werden. Für die Kommunikation zwischen diesen Objekten (bislang der immer größer und komplexer werdende Anteil in Automatisierungsprojekten) wird ein etabliertes Objektprotokoll verwendet, nämlich COM bzw. DCOM (distibuted communication). PROFIBUS Auto- matisierungs- gerät Feldgerät Feldgerät Antrieb Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 9

10 ProfiNet - Die Stellvertreter-Lösung
2 Betriebssystem Anwendung SPS, Feldgerät Anwendung, nicht in Spezifikation enthalten Beschreibungen, in „Open Source“ enthalten System- ein- bindung Anwender- Schnittstelle Projek- tierung Kern-Laufzeit-Software, in „Open Source“ enthalten ACCO ProfiNet RT- Runtime AUTO Modell Erweiterungen für Echtzeit-Kommunikation DCOM CO-RPC TCP-IP / UDP Echtzeit- kommu- nikation ProfiNet COM bzw. DCOM sind lange etablierte Standards, die sich ihrerseits auf den weitverbreiteten und standardisierten RCP-Mechanismus (Remote Procedure Call) stützen. Dieser wiederum setzt auf TCP/IP auf, das der unumstrittene Quasi-Standard im Bereich Ethernet ist. Über COM/DCOM lassen sich zudem sofort Standard-Objekte aus den gängigen Office-Software-Paketen einbinden. Für die Kommunikationsbeziehungen zwischen den einzelnen Komponenten ist das ACCO (Active Control Connection Object) zuständig., und zwar sowohl für die Einrichtung der Beziehungen als auch für die Übertragung der Daten, die im übrigen ereignisgesteuert erfolgt. Zusätzlich erledigt ACCO die Verbindungsüberwachung, Fehlerbehandlung, Wiederaufbau der Verbindung und Diagnose. Alle Geräte-Anbieter brauchen nach diesem Konzept ihre gerätespezifischen Konfiguratoren nur um eine Anbindung an ein übergeordnetes Profinet-Engineering-Tool zu erweitern. Es gibt also eine klare Trennung zwischen herstellerspezifischer Programmierung der Geräte und anlagenweiter Verschaltung der Komponenten. Derzeit gibt es verschiedene Arbeitskreise in der PNO, die die Schnittstellen spezifizieren und den Open Source entwickeln. Noch vor der HMI 2001 sollen die ersten Stufen der Konzepte an interessierte Firmen weitergegeben werden, die diese dann für die Einbindung ihrer Geräte nutzen können. Ethernet Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 28-Mar-17, Seite 10