Echtzeit-Ethernet - Eine Potenzialanalyse Markus Schumacher inIT - Institut Industrial IT Hochschule Ostwestfalen-Lippe D-32657 Lemgo markus.schumacher@hs-owl.de

Hochschule Ostwestfalen-Lippe Campus Lemgo Campus Höxter Campus Detmold Gegründet: 1971 Studierende: ca. 5000 ProfessorInnen: 155 in 9 Fachbereichen Mitarbeiter: 367

Das Institut Industrial IT im Überblick seit Ende 2006 NRW-Kompetenzplattform Industrial IT Institutsleitung: Prof. Dr. Jürgen Jasperneite 5 Professoren 27 wissenschaftliche Mitarbeiter/-innen 20 Diplomanden und studentische Hilfskräfte Forschungsfelder Industrielle Kommunikationssysteme Industrielle Signalverarbeitung

Aktuelle Echtzeit Ethernet Systeme basieren auf: Standard Performance Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick 1 2 3 Best- effort Realtime Best- effort Realtime Best- effort Realtime TCP/UDP TCP/UDP IP TCP/UDP TCP/UDP IP TCP/UDP IP IP IP Priority Scheduling ETH MAC ETH MAC ETH MAC z.B. Modbus/IDA, Ethernet/IP,FF HSE z.B. PROFINET RT z.B. PROFINET IRT Powerlink,EtherCAT Aktuelle Echtzeit Ethernet Systeme basieren auf: Individuellem Frametransfer Summenrahmen-basiertem Frametransfer

Frameaufbau Summenrahmen Frame Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Summenrahmen Frame Effizient in einer Topologie mit vielen Konten und kleiner Datenmenge pro Knoten Bevorzugt eine Ringtopologie Populäre Vertreter sind z.B. EtherCAT, Interbus Individueller Frame Zeitgesteuerter Frametransfer Jeder Frame ist adressierbar Populäre Vertreter sind z.B. PROFINET, Profibus Payload H T T H

Individueller Frametransfer@100 Mbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Summenrahmen Frame@100 Mbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Problem der Asymmetrie Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Individueller Frametransfer@1 Gbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Summenrahmen Frametransfer@1 Gbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Performance-bestimmende Metriken Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick tmedium+ tfwd dframe/bitrate

Vergleich Summenrahmen/ Individualframe@100 Mbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Vergleich Summenrahmen/ Individualframe@1 Gbit/s Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Pro’s und Con’s Individueller Frametransfer Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Individueller Frametransfer + Adressierung von Knoten/Gruppen + Zeitgleicher Up-/Downstream - Hoher Overhead Summenrahmen orientierter Frametransfer + Geringer Overhead - Asymmetrieabhängigkeiten zwischen Up-/Downstream Pro Zyklus muss jedes Device zweimal durchlaufen werden - EMV Empfindlichkeit

Verschiebung der FrameID Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Topologiebasierter Algorithmus Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Weiterleitungsendscheidung basierend auf Lokal-administrierten MAC-Adressen Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Topologieinformationen werden in die MAC-Adresse eingebettet.

Beispiel: Lokale Weiterleitung Controller  Device C2:1:x Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Verkürzung der Preambel Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Performancegewinn 480 ns Muss mit benachbarten Devices abgestimmt werden (z.B. mit LLDP)

Performancevorteil Weiterleitungsentscheidung < 1µs Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Weiterleitungsentscheidung < 1µs

Dynamic Frame Packing (Downstream) Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick tframe tpropag. Die Integrität der Frames wird mit Hilfe einer FCS16 am Ende eines Datagramms sichergestellt.

Dynamic Frame Packing (Upstream) Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Ergebnis Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick

Ergebnis1 1) ohne nRT-Kanal Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick 1) ohne nRT-Kanal

Zusammenfassung Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Bitrate und Einfluss der Verzögerung aufgrund der Weiterleitungsentscheidung sind proportional. Optimierungen basieren auf: Reduktion der Durchleitezeit Optimierung der Nutzdaten-Effizienz Verwendung des Windschatteneffekts

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Agenda 1. Motivation 2. Stand der Technik 3. Potenzial analyse 4. Lokale Weiterleitung 5. Dynamic Frame Packing 6. Ergebnis 7. Zusammen- fassung/ Ausblick Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!