Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung

Präsentation zum Thema: "Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung"—  Präsentation transkript:

1 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
The diagram .. was drawn by Dr. Robert M. Metcalfe in 1976 to present Ethernet to the National Computer Conference in June of that year. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 1

2 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Inhalt Historie, Standards, Begriffe Übertragungsmedien Topologien Protokoll Zugriffsverfahren, Kollisionsbewältigung Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 2

3 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Was ist Ethernet ? Das Ethernet ist ein bestimmter Typ eines lokalen Netzwerkes (LAN), das von Robert Metcalfe 1972 im berühmten PARC-Forschungszentrum von Xerox in Palo Alto entwickelt wurde. Von den Firmen Intel, DEC und Xerox wurde inzwischen ein gemeinsamer Standard erarbeit, der in der IEEE-Norm festgelegt wurde. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 3

4 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Historie 1969 entwickelt der Student Robert Metcalfe (gründet Com) für DEC einen Host Interface Controller für DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) 1970 wird an der Universität Hawaii das ALOHA-Netz (Mehrfachzugriffsprotokoll) entwickelt und erprobt 1972 wurde die Idee vom XEROX Palo Alto Research Center aufgegriffen (Metcalfe arbeitet dort). Das Projektziel lautete: experimental Ethernet Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 4

5 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Historie 1976 werden die Ergebnisse des Projektes veröffentlicht. Die Firmen DEC, Intel und Xerox schliessen sich zusammen zur Firmen- gruppe DIX und führen Ethernet zur Produktreife. 1980 wird die Ethernet-Version 1.0 verabschiedet. 1981 Normungsbemühungen durch IEEE und im wesentlichen wird die Ethernet-Spezifikation übernommen. 1982 Veröffentlichung der Ethernet-Version 2.0 1985 weltweite Anerkennung des Ethernet-Standard als ISO/DIS 8802/3 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 5

6 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Historie 1986 Veröffentlichung des 10Base2- und 10BroadT-Standards 1987 Standardisierung der 10BaseT-Spezifikation 1991 Veröffentlichung des 10BaseF-Standards 1994 über Hersteller unterstützen global das Ethernet- Verfahren 1995 Normung des 100-Mbit/s Ethernets 1997 Normungsbemühungen des Gigabit-Ethernet und Präsentation der ersten Produkte noch vor der Standardisierung Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 6

7 Zugriffsverfahren: CSMA/CD
neuer Versuch Warten gemäß Back-Off-Algorithmus Station ist sendebereit “Ether” abhören Kanal belegt Kanal frei Kollision entdeckt Senden der Daten und abhören des “Ethers” Jam-Signal senden keine Kollision Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 7

8 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Back-Off Algorithmus Fand eine Kollision statt, senden die Station nach einer bestimmten Zeit nochmal. Nach der ersten Kollision stehen 2 verschiedene Zeiten zur Verfügung, aus denen zufällig eine ausgewählt wird. Übertragungswahrscheinlichkeit 50% Nach der zweiten aufeinanderfolgenden Kollision stehen 4 verschieden Zeiten zur Verfügung, aus den eine zufällig ausgewählt wird. Übertragungswahrscheinlichkeit 75% Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 8

9 Truncated Binary Exponential Back-Off-Algorithmus
Anzahl der Wartezeiten, aus denen zufällig auswählt wird 1 2 50% 2 4 75% 3 8 87,5% 4 16 93,75% ... 5 32 96,88% ...... 6 64 98,44 7 128 99,22% 8 256 99,61% 9 512 99,80% 10 1024 99,90% 11 1024 99,90% 12 1024 99,90% 13 1024 99,90% 14 1024 99,90% 15 1024 99,90% 16 1024 99,90% Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 9

10 Welche Wartezeiten werden verwendet ?
Es werden fache der zweifachen max. Signallaufzeit zw. den entferntesten Stationen + Offset verwendet. Beim 10 Mbit/s Ethernet heißt das: Die Wartezeit wird auch als Kollisionsfenster, der Offset (9,6µs) als Gap bezeichnet. Erst nachdem die Zeit des Kollisionsfensters vergangen ist, ist sichergestellt, daß es zu keiner Kollision mehr kommt. Station 1 Station 2 25,6µs 51,2µs Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 10

11 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Beispiel Nach der ersten Kollision wählen die sendewilligen Stationen eine zufällige Wartezeit von entweder 9,6µs oder 9,6µs plus 51,2µs (Dauer des Kollisionsfensters). Bedingung: Nur zwei beteiligte Stationen, es kommen während der Kollisionsbewältigung keinen neuen Stationen hinzu. Wartezeit(A) Wartezeit(B) Übertragung 9,6µs 9,6µs NEIN 9,6µs 9,6µs+51,2µs JA 9,6µs+51,2µs 9,6µs JA 9,6µs+51,2µs 9,6µs+51,2µs NEIN Nach der zweiten Kollision wählen die Stationen zufällig eine Wartezeit von 9,6µs plus [0, 1, 2, oder 3] mal 51,2µs. Bei zwei an der Kollision beteiligten Stationen beträgt die Wahrscheinlichkeit, daß die Übertragung jetzt stattfinden kann, 75%. Alle Stationen merken sich die Anzahl der aufeinanderfolgenden Kollisionen und verdoppeln die Anzahl der Wartezeiten, aus denen zufällig ausgewählt wird. Nach der dritten Kollision heißt daß, 9,6µs plus [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7] mal 51,2µs. Bei den letzten 6 Versuchen wird aus einer Menge von [ 0, 1, 2, 3, ..., 1023] mal 51,2µs zufällig ausgewählt. Nach 15 aufeinanderfolgenden Kollisionen wird der Algorithmus abgebrochen und daß Telegramm wird nicht mehr übertragen. Nun ist es Aufgabe der übergeordneten Kommunikationssoftware, über weitere Aktionen (z.B. erneuter Sendeversuch) zu entscheiden. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 11

12 Verzögerung in Abhängigkeit der Netzwerkauslastung
20 % 40 % 30 % 10 % 50 % 60 % 70 % 80 % Netzwerkauslastung niedrig hoch Hoher Durchsatz Beginnende Probleme Overload Der beschriebene Algorithmus wird als “Truncated Binary Exponential Backoff Algorithm, BEB”, kurz Back-Off Algorithmus, bezeichnet. Aus dem beschrieben Verfahren erkennt man, daß in extremen Fällen sehr lange Verzögerungen bei der Übertragung auftreten können, bzw. es sogar passieren kann, daß das Telegramm überhaupt nicht übertragen wird. Diese Fälle treten insbesondere auf, wenn die Netzwerklast hoch ist. Das Diagramm zeigt prinzipiell den Verlauf der durchschnittlichen Verzögerung in Abhängigkeit von der Netzwerklast. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 12

13 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet Adresse Auch "MAC-Adresse" Weltweit eindeutige Kennung eines Adapters Festgebrannt im ROM, nicht änderbar Sechs Byte, verschlüsseln Hersteller, Adapter-Modell, Seriennummer des Exemplars Auslesbar mit verschiedenen Hilfsprogrammen z.B. WINIPCFG Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 13

14 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet-Adresse WIN-NT: ipconfig /all Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 14

15 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet-Telegramm Ethernet II DIX Frame: Preamble DA SA Type Data Pad FCS >= IEEE Frame: Preamble SFD DA SA LEN Data Pad FCS >= Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 15

16 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet Telegramm Preamble Vorspann, besteht aus dem Bitmuster “ ” und dient der Bit- Synchronisation des Empfängers. SFD (Start Frame Delimiter) Startzeichen, besteht aus dem Bitmuster “ ” und zeigt dem Empfänger, daß ab jetzt die Informationen des Empfängers folgen. DA (Destination Address) Empfängeradresse, wird vom Adressfilter des Empfängers ausgewertet, nur für ihn bestimmte Pakete werden an die Kommunikationssoftware weitergeleitet. SA (Source Address) Absender Addresse LEN (Length) Gibt nach IEEE die Länge des folgenden Datenfeldes in Bytes an. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 16

17 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet Telegramm Data und Pad Das Datenfeld darf 46 bis 1500 Nutzdatenbytes enthalten. Sind weniger als 46 Datenbytes vorhanden, ergänzt der Ethernet-Controller selbstständig Füllbytes (Padding Bytes) bis die Gesamtzahl (Data + Pad) 46 beträgt. Diese Mindestlänge ist notwendig, damit das CSMA/CD-Verfahren einwandfrei arbeitet. Das Datenfeld kann völlig frei genutzt werden, es muß nur vollständige Bytes enthalten. FCS (Frame Check Sequence) Prüfzeichen, entspricht dem Polynom-Divisionsrest, der sich durch Anwendung des CRC-Verfahrens (Cyclic Redundancy Check) auf die Bitsequenz von den Adressfeldern bis einschließlich des Pad-Feldes ergibt Beim Auftreten eines Fehlers wird das Paket ignoriert, d.h. nicht an die Anwendungssoftware weitergeleitet. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 17

18 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet TCP/IP LAYER 7 Modbus etc. TCP- Header TCP-DATA TCP-Segment IP- Header IP-DATA IP-Paket Ethernet- Header Ethernet-DATA FCS Ethernet-Paket Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 18

19 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet Topologien Bus Stern Ring Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 19

20 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ethernet Medien Twisted Pair LWL Koaxialkabel Funkübertragung Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 20

21 Bezeichnung der Kabelsysteme
Bsp.: 10base5 10 Übertragungsrate in MBit/s base Base oder Broadband 5 Segmentlänge in 100m UTP unshielded twisted pair STP shielded twisted pair S/STP screened shielded twisted pair Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 21

22 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Ausdehnung Die Ausdehnung hängt vom verwendeten Medium und der Übertragungsrate ab, hier einige Beispiele: 10base5 Segment: 500m Gesamt: 2500m (mit 4 Repeatern) 100baseTX UTP Hub-Station: 100m 100baseFX Hub-Station: 400m km (bei Monomodefaser) 1000baseSX Hub-Station: 550m Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 22

23 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Repeater / Hub Repeater Hub Repeater Der Repeater berücksichtigt keine Protokollheaderinformationen sondern verstärkt einfach nur die Signale, um den Aufbau ausgedehnterer Netze zu erlauben. Er kann auch zum Wechsel des Mediums verwendet werden, z.B. optisches Medium auf Kupfermedium. Ein Repeater mit mehreren Anschlüssen wird auch als Hub bezeichnet. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 23

24 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Bridge E F Bridge Bridges Eine Bridge verbindet zwei oder mehrere Netzwerke miteinander und tauscht Datenpakete zwischen ihnen aus. Da sie auf Ebene 2 des Schichtenmodells arbeitet, ist sie von höheren Protokollen (z.B. TCP/IP) unabhängig. Bridges sind intelligente Elemente, die den gesamten Datenverkehr mithören. Anhand der physikalischen Adresse des Paketes sowie interner Tabellen entscheiden sie, ob das Paket weitergeleitet oder ignoriert wird. A C D B Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 24

25 Switch = Multiport Bridge
Switches, auch als “Switching Hubs” oder “Layer 2 Switches” bezeichnet, sind eine Weiterentwicklung der Bridges. Switches sind nichts anders als Bridges mit mehreren Ports, weshalb man sie auch “Multiport-Bridge” bezeichnet. Jeder Port an einem Switch entspricht einer eigenen Collision Domain. Kollisionen zwischen Geräten, die an einen Switch angeschlossen sind, können so nicht vorkommen. Im Gegensatz zum Hub, der die Pakete einliest, verstärkt und an allen Ports wieder ausgibt, liest ein Switch das Paket ein, prüft die Zieladresse und gibt es nur an dem Port wieder aus, an dem der Empfänger angeschlossen ist. Fehlerhafte Pakete werden nicht weitergeleitet. Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 25

26 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
Hub - Switch A A H B H B G Hub C G Switch C F D D E F E Zeit A H B Wo sich welche Station befindet, lernt der Switch durch Analyse der Quelladressen. Er erstellt daraus eine Tabelle, in der festgehalten wird, an welchem Port sich welche Stationen befinden. Switches sind in der Lage, mit einem größeren Datendurchsatz fertig zu werden, ohne daß die beim Hub durch Kollisionen verursachten Verzögerungen auftreten. Hubs können dadurch gut durch Switches ersetzt werden, um die Leistungsfähigkeit des Netzwerks zu steigern. Um die gleichzeitige Herstellung von mehreren Verbindungen zu ermöglichen, kann ein Switch die Daten intern sehr viel schneller transportieren als sie an den Ports ein- und ausgegeben werden. Ein Switch der als “Nonblocking” bezeichnet wird, verfügt über eine interne Übertragungsrate, die der Summe aller maximalen Geschwindigkeiten an den Ports entspricht. Für einen 10/100MBit/s Switch (sowohl für 10 als auch für 100MBit/s geeignet) mit acht Ports heißt das, daß er unter Berücksichtigung des Full-Duplex-Betriebs (wird später in diesem Abschnitt erläutert) über eine interne Übertragungsrate von 1600MBit/s verfügen muß (100MBit/s * 8 Ports *2 [wegen duplex]). Diese Leistungsfähigkeit ist aber normalerweise nicht erforderlich und auch zu teuer. Eine interne Geschwindigkeit von 800MBit/s ist für den beschriebenen Switch in der Regel ausreichend. Er wird dann als “Blocking Switch” bezeichnet. Zusätzlich zur hohen internen Geschwindigkeit verfügen die Switches über einen Kurzzeitspeicher, um Nachrichten, die gleichzeitig eintreffen und für denselben Port bestimmt sind, zwischenzuspeichern. G Hub C F D E Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 26

27 Eigenschaften der Switches
Cut-Trough Switch keine Kontrolle der Datenrahmen Store-and-Forward Kontrolle der Datenrahmen Gleiches Ziel interner Kurzzeitspeicher Datenrahmen verwerfen oder Kollision wird erzeugt Broadcast Meldungen gehen an alle Stationen (z.B. ARP), daher bringt der Switch keinen Vorteil mehr es gibt spezifische Möglichkeiten, div. Switchhersteller den Broadcast-Datenverkehr zu reduzieren Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 27

28 Typische Büroverkabelung
Netzwerkdose Patchfeld Patchkabel Hub/Switch „normales“ Cat 5 Kabel Patchfeld Heute werden für die meisten STP und UTP-Verkabelungen RJ45 Stecker verwendet, auch Western Stecker genannt. Die Belegung dieser Stecker ist genormt ( nach IEC, DIN u.s.w.), wobei die Adern-Paar-Zuordnungen bei jedem Standard gleich sind, sich die Adern- Isolierungen farblich allerdings unterscheiden können. RJ 45 Hub/Switch Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung 27-Mar-17, Seite 28

29 Ethernet und TCP/IP in der Automatisierung
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