Ethernet-TCP/IP - von Dr. Robert Landwehr

Thema des Vortrages
„ Ethernet-TCP/IP“
Hindernisse, Lösungen und Chancen
für ein neuartiges Steuerungsnetz“
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk)
Universität Karlsruhe (TH)

Dipl.-Ing. Robert Landwehr
Dipl.-Ing. Christoph Gönnheimer
Tel. 0721/608-4013
E-mail: robert.landwehr@
mach.uni-karlsruhe.de
Tel. 0721/608-4013
E-mail: christoph.goennheimer@
mach.uni-karlsruhe.de
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik Universität Karlsruhe (TH)
o. Prof. Dr.-Ing. H. Weule, o. Prof. Dr.-Ing. D. Spath, Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
Kaiserstr. 12 , D-76 128 Karlsruhe
Tel.: +49 (721) 608 - 2441 / 4011
1
Evolutionsprozess in der Industriellen Produktion
Leitstand
E/A
Fabrik-Bus
Control-Bus
Zellenebene
RS-232
RS-422 20
mA
E/A
Dezentrale
Steuerung mit
Bus-Hierarchie
Leitebene
Serielle
Punkt-zu-Punkt
Verbindung
der SPS‘sen
E/A
Feldebene
Speicherprogrammierbare
Steuerung
(SPS/PLC)
S
Feld-Bus
A
S
S
A
S
S
A
A
S
S
S
S
Zeit
1960

1970
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik Universität Karlsruhe (TH)
1980
1990
o. Prof. Dr.-Ing. H. Weule, o. Prof. Dr.-Ing. D. Spath, Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt
2000
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2
Typische Vernetzung in der Industriellen Produktion
Leitebene
Internet
Extranet
Ethernet
Zellenebene
Control Bus
Feldebene
Feldbus 3

Bus
Koppler
Anzeigeeinheit
Operator
Panel
Feldbus 1
Remote
I/O
Remote
I/O
A S S
A S S
S
Feldbus 2
Remote
I/O
A
S
A
A
S
A
ProzessVisualisierung
A S S
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S/A-Bus
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3
Aktuelle Situation in der Industriellen Produktion I
Vielzahl an Bussystemen
Profibus
FMS,DP
Interbus
IB-Loop
Modnet/
Modbus
Unterschiedliche Verfahren
und Protokolle
CAN
TCP/IP
ASInterface
Summentelegramm
Sercos
CSMA
Unterschiedliche Topologien
Ring
ISO/OSI
Master/
Slave
Token
Anpassungsprozessoren und
Gateways
Z
Linie
Z
Stern

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Netz 1
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Netz 2
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4
Aktuelle Situation in der Industriellen Produktion II
Heterogener Datenbestand
Vielzahl an herstellerspezifischen
Systemlösungen
Unterschiedliche Betriebssysteme
DOS
Microsoft
Windows
UNIX
SUN
SOLARIS
LINUX

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5
Zusammenfassung der gegenwärtige Situation
Vielzahl an
Bussystemen
Anpassungsprozessoren und
Gateways
Aktuelle
Situation
Unterschiedliche
Verfahren und
Protokolle
Unterschiedliche
Topologien
Herstellerspezifische
Systemlösungen
Unterschiedliche
Betriebsysteme
Heterogener
Datenbestand
Keine Kommunikationsdurchgängigkeit erreicht bei
Netzwerk, Hardware und Software

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6
Problemstellung
Entscheidung für welche
Netzwerkhardware und
Kommunikationsinfrastruktur
Entscheidung für welche
Software und
Kommunikationslogik
Mit
Zielsetzung
Durchgängigkeit
von der
Leitebene bis in
die S/A-Ebene

Plattformunabhängige
Interoperabilität
Dezentrale,
flache
Kommunikations
strukturen
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Herstellerunabhängigkeit
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7
Prozess-/
Fertigungsleitung
FAN
Prozessführung
Steuerung/Regelung
Abfragehäufigkeit (Absatzzeit)
Management,
Produktionsplanung
Nettodaten per Übertragung
LAN
WAN
Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur
Hitze
elektromagnetische
Störfelder
Sensoren, Aktoren
Feuchtigkeit
Unterschiedliche Datenmenge und
Abfragehäufigkeit
z.B.: Schweißroboter
Pressen
Stanzmaschinen
mechanische
Beanspruchung
Sichere Übertragung in industrieller
Umgebung mit Störeinwirkungen

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8
Merkmale von Ethernet
Verschiedene
Kommunikationsmedien
Sehr weit verbreitet
Koaxialkabel
10 Mbit/s
Zweidrahtleitungen
100 Mbit/s
Lichtwellenleiter
Ethernet
Funkverbindungen
Zugriff mittels nicht
deterministischen
Kollisionserkennungsverfahren

Verschiedene
Übertragungsraten
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1 Gbit/s
10 Gbit/s (Zukunft)
Logische, meist auch
physische Busstruktur
Gleichberechtigte
Netzwerkstationen
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9
Funktionsweise von Ethernet (CSMA/CD-Verfahren)
Sendevorgangbeginnen
beginnen
Sendevorgang
NEIN
Feststellenob
obBusleitung
Busleitungfrei
frei
Feststellen
1
JA
Ethernet transportiert
Packets von einem Sender
zu einem Empfänger ohne
Übertragung
Übertragung
JA abbrechen
Ist
eine
Ist eine
abbrechen
Kollision
und
Kollision
und
aufgetreten
Zufallszeit
aufgetreten
Zufallszeit
warten
warten
Übertragung starten
Übertragung starten
Quittung
Pr
ob
le
m
at
ik
Übertragungbeenden
beenden
Übertragung
Sendevorgangbeendet
beendet
Sendevorgang
ohne Wiederholung von
verlorenen Packets
ohne Definition von
Anwenderfunktionen
Bedingt durch das nicht deterministische Zugriffs-
2
verfahren ist die Echtzeitfähigkeit beschränkt, da
sowohl Verzögerung und Durchsatz von der Netzwerklast abhängig sind
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10
Übersicht der TCP/IP Protokollfamilie
Application
Anwendungsprogramme, Anwendungsprotokolle
und Dienste wie z. B. Telnet, FTP
Socket-Interface
Socket-Interface
TCP
UDP
Transport
GGP
EGP
RSVP
ARP

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IGMP
OSFP
IP
Internet
Network-Interface
und Hardware
ICMP
RARP
Kommunikationssystem z.B. Ethernet
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11
Funktionen von TCP/IP
Funktionen des IP:
Übermittlung von Telegrammen vom Sender zu einem oder mehreren Empfängern
Adreßverwalter (Adress-Management)
Telegrammaufteilung (Segmentierung)
Pfadsuche (Routing)
Netzwerk-Kontrollfunktionen
Funktionen des TCP:
zuverlässige Telegrammübertragung
Vollduplexdatenstrom zwischen den Teilnehmern
Aufbau und Abbau von Verbindungen
Überwachung der Verbindungen und Fehlermeldung an Anwendungssoftware
Zwischenspeicherung und Aufbereitung der Datenblöcke
Vereinbarung dynamischer Ports
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12
Sicherungsmechanismen von TCP
Sicherungsmechanismen des TCP:
Erkennen von Übertragungsfehlern (Prüfsumme)
Empfangsbestätigung (Quittung bzw. Acknowledgement)
Wiederholung bei Übertragungsfehlern und Telegrammverlust (Repeat)
Zeitüberwachung zwischen Senden und Empfangsbestätigung (Time Out)
Ethernet+TCP/IP=Industrial Ethernet
erfüllt alle Anforderungen einer sicheren Übertragung unter Teilnehmern
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13
Echtzeitfähigkeit durch UDP/IP und Switched-Ethernet
EingangsPuffer
Vorteile von UDP:
Port Nummern, d.h.
Adressierung von Programmen oder Prozessen
Schnell und wenig
Overhead
Fehlergesicherte Daten,
d.h. bei Ein-Paket Daten
gesicherte Übertragung
AusgangsPuffer
Netz 1
Netz 1
Netz 2
Netz 2
Nachteile von UDP:
Keine Reaktion auf
fehlerhafte Telegramme,
d.h. unsichere Mehr-PaketÜbertragung
Bei
Kommunikationssystemen
mit geringer
Fehlerwahrscheinlichkeit
und kleiner Datenmenge ein
sehr schnelles Protokoll
UDP/IP

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Switch-Matrix
Netz 3
Netz 3
Switched Ethernet
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14
Ein leistungsstarkes Paket
Entscheidung für welche
Netzwerkhardware und
Kommunikationsinfrastruktur
Ethernet
UDP/IP
TCP/IP
Switched
Ethernet
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15
Internet
Extranet
Ethernet TCP/IP
Ethernet TCP/IP
Feldebene
Zellenebene
Leitebene
Ausblick
Deterministisches Echtzeit Ethernet
Remote
I/O
A
A S S

Remote
I/O
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S
A
A S S
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16
Evolutionsprozess in der Informationstechnologie
Monolthische
Systeme
Client Server
Architektur
Großrechner
Verteilte
Systeme
Server
Objekt 1
Methoden
Netzwerk
Netzwerk
Anfrage/
Antwort
RPC
Methoden
Client
Interface
Eigenschaften
Terminals
Interface
Eigenschaften
Objekt 2
Zeit
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17
Remote Procedure Call (RPC)
Was ist RPC
RPC ist eine dezentrale Programmiertechnik, die für Anwendungen einen großen
Komfort und eine übersichtliche Programmgestaltung bietet
RPC‘s erlauben den direkten Aufruf einer Prozedur in einem anderen Rechner
Man kann damit Funktionen in einem beliebigen Rechner des Netzwerkes
ausführen, ohne sich programmtechnisch um die Mechanismen des
Verbindungsaufbaus und der Netzwerktopologie kümmern zu müssen
Aufruf
Marshalling
Unmarshalling
Aufruf
Ergebnis
Unarshalling
Marshalling
Ergebnis
Server
Client
Funktionsprinzip von RPC
Netzwerk
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18
2 Konkurrenten am Markt

COM/DCOM
COM/DCOM
CORBA
CORBA
Component
ComponentObject
ObjectModel
Model
Distributed
COM
Distributed COM
Common
CommonRequest
RequestBroker
BrokerArchitecture
Architecture
Microsoft
Objekt Management Group
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19
Vergleich von COM bzw. DCOM und CORBA
Unterschiede
Unterschiede
Gemeinsamkeiten
Gemeinsamkeiten
COM/DCOM
COM/DCOM

Mehrschichtiges
Objektmodell
COM verlagert
mehr Aktivitäten
auf den Client als
CORBA
CORBA
CORBA
Verhalten der
Objekte ist durch
Interfaces
festgelegt
Alle Objekte
werden von einer
Basisklasse
abgeleitet
Service der dem
Client die
Objektreferenz zur
Verfügung stellt
existiert
Unterschiedliche
Grammatik der
InterfaceBeschreibungssprachen
Wiederverwendung binärer
Komponenten bei
COM im
Mittelpunkt,
CORBA reines
Objektmodell
Unterschiedliches
Format der
Parameterwerte in
der Nutzlast
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20
Problematik von DCOM und CORBA
DCOM und CORBA
sind komplizierte
Protokolle die
Laufzeitunterstützung benötigen
Problematik
DCOM und CORBA
sind nicht über
Firewalls
anwendbar

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DCOM und CORBA
sind nicht auf allen
Plattformen
verfügbar
Entscheidung für
eines der
konkurrierenden
Systeme notwendig
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21
OLE for Process Control (OPC)
Funktionsweise von OPC
Was ist OPC
OPC definiert eine offene Schnittstelle,
über die PC-basierte Softwarekomponenten Daten austauschen
OPC basiert auf den WindowsTechnologien OLE (Objekt Linking and
Embedding), COM und DCOM
OPC bietet eine ideale Basis zum
Verbinden von industriellen
Anwendungen, bzw. Officeprogrammen mit Feldgeräten aus der
Automatisierungsebene
OPC Client Applikationen wie z. B.
Microsoft Office Programme
greifen mittels des standardisierten
Softwarebusses
Auf OPC-Server, wie z. B. IEC 1131
Steuerungsprogramme oder OPCfähige Feldbuskarten zu
Client
Client
Software Bus
Server
Server
Server
Plug&Play in der Automatisierung

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22
Merkmale des Hypertext Transfer Protokoll (HTTP)
HTTP ist das de facto
Protokoll des Internets
HTTP ist wenig
verbindungsorientiert,
d. h. geringer
Paketaustausch zum
Aufbau und zur
Erhaltung einer
Session
HTTP ist einfach über
Firewalls zu nutzen
Kommunikation über
Standardport 80
HTTP
HTTP ist auf allen
Plattformen verfügbar

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HTTP ist ein
transparentes textorientiertes
request/response
Protokoll
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HTTP ist ein einfaches
Protokoll das wenig
Laufzeitunterstützung
benötigt
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23
Merkmale von XML
XML
XML ist eine
vereinfachte, aber
konforme Teilmenge
von SGML
<contact category=„new president“>
<fullname>Mr. Whoknows</fullname>
<phonenumbers>
<home>801-555-2323</home>
<cell>801-555-3232</cell>
</phonenumbers>
<email>[email protected]</email>
</contact>

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XML trennt die Struktur
eines Dokumentes von
ihrem Inhalt
XML basiert auf der
Textform, was
Transparenz und
Portabilität ermöglicht
XML ist sehr flexibel
und lässt sich gut
erweitern (extensible
markup)
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24
SOAP
HTTP
+
XML
Kodiersprache für
Anfrage- und
Antwortparameter
Transporteur
=
SOAP
SOAP Envelope
Header
Aufbau eines SOAP-Envelopes
Body

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25
Ein einfacher SOAP-Aufruf
Antwort
Aufruf
POST /StockPrice HTTP/1.1
200 OK
Host: 209.110.197.2
Content-Type: text/xml
Content-Type: text/xml
Content-Length: xxx
Content-Length: xxx
<Envelope>
<Body>
<Envelope>
<StockPriceServerResponse>
<Body>
<CurrentStockPrice>1500
<StockPriceServerCall>
</CurrentStockPrice>
<GetStockPrice>
<product>12345</product>
</GetStockPrice>
</StockPriceServerCall>
</StockPriceServerResponse>
</Body>
</Envelope>
</Body>
</Envelope>

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26
BizTalk
BizTalk ist ein XMLbaiertes Framework zum
Dokumenten-austausch
im B2B-Bereich
Biztalk
Rechnung
Die
BizTalkForm der
Rechnung
XML
BizTalk
Server

Rechnung
Applikation
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik Universität Karlsruhe (TH)
XML
Internet
Applikation
Die
BizTalkForm der
Rechnung
BizTalk
Server
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Ein BizTalk-Dokument ist
eine XML-Datei, deren
Markierungen einem
bestimmten Vokabular
entstammen und die sich
an diese Regeln hält
Veröffentlichung der
Schematas frei
zugänglich für alle
Interessenten und
Support der BizTalk
Mitglieder z. B. Microsoft,
Baan, Boing und SAP
Kaiserstr. 12 , D-76 128 Karlsruhe
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27
Ein leistungsstarkes Paket
Entscheidung für welche
Software und
Kommunikationslogik
SOAP
HTTP

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XML
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28
Fazit
Entscheidung für welche
Netzwerkhardware und
Kommunikationsinfrastruktur
Entscheidung für
welche Software und
Kommunikationslogik
Ethernet
SOAP
UDP/IP
TCP/IP
HTTP
XML
Switched
Ethernet
Kommunikationsdurchgängigkeit erreicht bei
Netzwerk, Hardware und Software
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29
Ausblick
Internet
Extranet
SOAP Aufruf
z.B. Setze Aktor xy auf „AN“
Ethernet TCP/IP
Integrierter
µ-Webserver
im Aktor xy
A

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S
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A
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30
Glossar
ARP: Adress Resolution Protocol
COM: Component Object Model
RARP: Reverse Adress Resolution Protocol
DCOM: Distributed COM
IP: Internet Protocol
OPC: OLE for Process Control
GGP: Gateway-to-Gateway Protocol
OLE: Object Linking and Embedding
EGP: Exterior Gateway Protocol
CORBA: Common Request Broker Architecture
RSVP: Resource Reservation Protocol
ICMP: Internet Control Message Protocol
SGML: Standard Generalized Markup Language
IGMP: Internet Gateway Multicasting Protocol
HTTP: Hypertext Transfer Protocol
OSFP: Open Shortest Path First Protocol
XML: Extensible Markup Language
TCP: Transmission Control Protocol
SOAP: Simple Object Access Protocol
UDP: User Datagram Protocol
CSMA/CD: Carrier-Sense MultipleAccess/Collision-Detection

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