Was sind proprietäre Ringtopologien in Automatisierungsnetzwerken?

Von Jody Muelaner

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die Netzwerktopologie im Kontext der industriellen Automatisierung und des IoT bezieht sich in erster Linie auf die Anordnung der festverdrahteten Kommunikationsverbindungen zwischen Knoten und Geräten (wie Sensoren, Aktoren, intelligente Motoren, Antriebe und Steuerungen) sowie Switches, Hubs und Gateways. Die für eine Maschine oder größere Anlageninstallation verwendete Netzwerktopologie bestimmt:

  • Stabilität und Geschwindigkeit der Systemkommunikation
  • Das Maß an Redundanz und Wiederherstellungszeit, das ein industrielles Netzwerk besitzt
  • Die alles entscheidende Fähigkeit zur Wiederherstellung der Verbindung (nach dem Ausfall einer Verbindung im Netzwerk)

In diesem Artikel werden verschiedene Netzwerktopologien erläutert, darunter verschiedene Ringtopologien sowie einige proprietäre Topologien und wo sie eingesetzt werden.

Diagramm der Hauptfamilien von industriellen NetzwerktopologienAbbildung 1: Hier sind die wichtigsten Familien von industriellen Netzwerktopologien dargestellt. (Bildquelle: Design World)

Mehr zu industriellen Netzwerktopologien

Die Topologie eines industriellen Automatisierungsnetzwerks ist die Art und Weise, wie Netzwerkkomponenten, die als Links (Kabelverbindungen in verdrahteten Anordnungen) und Knoten klassifiziert werden, relativ zueinander angeordnet sind. Knoten sind Geräte, die entweder als Verteiler oder als Kommunikationsendpunkte dienen können. Im Gegensatz dazu sind Links die Mittel, durch die sich die Knoten verbinden - egal ob drahtgebunden oder drahtlos. Kommunikationstypen von Links:

  • Simplex - erlaubt nur Kommunikation in eine Richtung
  • Duplex - ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation in beide Richtungen
  • Halbduplex - erlaubt die Kommunikation in beide Richtungen ... aber nur in eine Richtung zur Zeit

Die Topologie eines Netzwerks ist die Art und Weise, in der die Knoten durch die Links verbunden sind. Anordnungen gibt es viele.

Bustopologie: Netzwerke mit einer Bustopologie haben eine Haupt-„Spur“ von Kabeln (bekannt als Bus), mit der sich jeder Knoten unabhängig verbindet.

Sterntopologie: Netzwerke mit einer Sterntopologie sind durch einen Knoten in Form eines Hubs zentralisiert. Die anderen Knoten verbinden sich über ihre Links mit dem Hub. Eine Sterntopologie hat auch einige Vorteile bei der Stromeinsparung, da einzelne Geräte, die nur sporadisch senden, abgeschaltet werden können und nur der Hub ständig Strom benötigt.

Maschentopologie: Netzwerke mit einer vollständig verbundenen Topologie verbinden jeden Knoten mit jedem anderen Knoten. In ähnlicher Weise basieren Netzwerke mit einer Maschentopologie (wie vollständig verbundene Anordnungen) auf dezentralen Verbindungen, erfordern aber nicht, dass jede Paarung von Knoten verbunden ist. Konfigurationen, bei denen nicht jeder Knoten mit jedem anderen verbunden ist, werden manchmal als teilweise verbundene Maschennetzwerke bezeichnet.

Drahtlose Netzwerke verwenden oft eine Maschentopologie, da diese robust und sicher sind - und den Stromverbrauch reduzieren, eine nützliche Funktion für Netzwerke mit batteriebetriebenen Knoten. Maschennetzwerke können auch die Netzwerkreichweite für eine gegebene Menge an Verkabelung verbessern, da einzelne Verbindungen kürzer sein können als das Netzwerk als Ganzes. Das ist vorteilhaft für große IoT-Netzwerke mit vielen stromsparenden Sensoren. Am wichtigsten ist vielleicht, dass Netzwerke mit einer Maschentopologie von allen Optionen die höchste Flexibilität und Redundanz bieten - vor allem, wenn sie vollständig verbunden sind. Ein Nachteil ist, dass die Wiederherstellung nach einem Link-Ausfall langsam sein kann, da das System einen neuen Pfad durch das Netz finden muss - was möglicherweise eine Neukonfiguration der Ports um den unterbrochenen Link herum erfordert. Bei kabelgebundenen Netzwerken machen die zusätzliche Verkabelung und die zusätzlichen Ports die Maschentopologie darüber hinaus teurer.

Ringtopologie: Netzwerke mit einer Ringtopologie verbinden jeden Knoten mit zwei benachbarten Knoten in einer Reihenfolge, die einen Ring bildet. Dies wird auch als redundanter Ring bezeichnet, da ein Link deaktiviert werden kann, bis er benötigt wird.

Tieferer Einblick in die Ringtopologie für die industrielle Automatisierung

Netzwerke mit einer Ringtopologie haben gute Datenübertragungsraten und erholen sich recht schnell von Link-Ausfällen. Auch die Kabelkosten sind relativ gering. Kein Wunder, dass Ringtopologien in der Regel die erste Wahl für kabelgebundene industrielle Automatisierungsnetzwerke sind. Wenn ein redundanter Link deaktiviert ist, wird der Ring effektiv zu einer Leitung, und ermöglicht eine schnelle und effiziente Kommunikation. Bei einem Link-Ausfall gibt es kein komplexes Rerouting. Stattdessen wird einfach ein redundanter Link aktiviert - und alle anderen Links verwenden weiterhin die Standard-Port-Routen des Systems.

Betrachten Sie gängige Ringtopologie-Permutationen im Transmission Control Protocol (TCP) und User Datagram Protocol (UDP). Mit den IP-Protokollen TCP und UDP sind Internetverbindungen möglich, da jedes Gerät eine IP-Adresse hat. Diese IP-Adressen ermöglichen es dem System, Datenpakete von einer Adresse zu einer anderen zu leiten. Pakete enthalten die eigentlichen Daten zusammen mit zusätzlichen Informationen in einem Header, der die Ziel-IP-Adresse enthält.

TCP (oft auch TCP/IP genannt) steuert, wie Datenpakete am Zielort wieder zusammengesetzt werden. Die Voraussetzung dafür, dass dies funktioniert, ist die Kommunikation von Sender und Empfänger. Der Absender fügt Sequenznummern in den Header ein, und der Empfänger muss eine Nachricht zurücksenden, die den Empfang des Pakets bestätigt. Wenn Pakete nicht quittiert werden, werden sie erneut gesendet. Geräte prüfen Pakete auch auf Fehler, indem sie Prüfsummen in jedem Paketkopf verwenden. Dieses TCP-Verfahren gewährleistet einen zuverlässigen Datenaustausch auf Kosten relativ langsamer Hin- und Her-Kommunikationsprozesse. Im Gegensatz dazu ermöglicht UDP (das neuere IP-Protokoll) eine einfachere und schnellere Datenübertragung zwischen IP-Adressen. Die Empfängergeräte müssen den Empfang von Paketen nicht bestätigen, so dass die Geschwindigkeit auf Kosten einer leicht verminderten Zuverlässigkeit erhöht wird.

Redundanz-Herausforderungen und ergänzende Lösungen

Netzwerkmanagementprotokolle in Ethernet-basierten Systemen ergänzen Redundanzfunktionen, um effiziente Daten zu gewährleisten und gleichzeitig problematische Brückenschleifen und die dadurch verursachte Broadcast-Strahlung zu vermeiden. Grundsätzlich handelt es sich bei Brücken- oder Schaltschleifen um unnötig und problematisch wiederholte Datenübertragungen. Diese werden durch doppelte Verbindungen zwischen Geräten übertragen - dies tritt auf, wenn ein Netzwerk mehrere Pfade zwischen zwei kommunizierenden Netzwerkknoten hat.

Diagramm: Ringtopologien sind schnell und bieten eine schnelle Wiederherstellung nach einem VerbindungsausfallAbbildung 2: In der industriellen Automatisierung sind Ringtopologien schnell und bieten eine schnelle Wiederherstellung nach einem Verbindungsausfall. (Bildquelle: Design World)

Brückenschleifen können zu wiederholtem Re-Broadcasting von Daten führen, was wiederum eine Überlastung des Netzwerks und drastische Verlangsamungen des Netzwerks zur Folge hat. Das Problem tritt am ehesten in Systemen mit viel Redundanz auf.

Die Link-Aggregation verwendet parallele Ethernet-Kabel und -Ports, um die Bandbreite zu erhöhen und Wiederherstellungen zu beschleunigen. Das heißt, wenn ein Link ausfällt, geht die Verbindung nicht verloren, aber einige Daten können verloren gehen - und die Bandbreite wird reduziert. Die Kabel fallen in der Regel durch eine mechanische Beschädigung aus, die parallelen Kabel müssen auf unterschiedlichen Wegen verlegt werden, was die Installationskosten erheblich erhöht. Dieser einfache Ansatz ist als Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad) standardisiert.

Es ist möglich, die Vorteile der Redundanz zu erhalten und gleichzeitig Brückenschleifen zu vermeiden. Hier besteht die Lösung in Topologien mit parallelen physikalischen Schleifen, ergänzt durch die Möglichkeit, Links durch den Einsatz eines Netzwerkmanagement-Protokolls selektiv zu deaktivieren. Wenn dann ein aktiver Link ausfällt, erweitert sich die logische Topologie, um einen der redundanten Links einzuschließen - und das Rerouting um den ausgefallenen Link herum. Das Spanning-Tree-Protokoll (STP), das Rapid-Spanning-Tree-Protokoll (RSTP) und eine Vielzahl von proprietären Ringprotokollen bieten alle diese Netzwerkverwaltungsfunktion. Beachten Sie, dass ein Spanning Tree ein anderer Name für die schleifenfreie logische Topologie ist, die in diesen Protokollen erstellt wird; Links, die nicht Teil des Spanning Tree sind, werden deaktiviert.

STP und RSTP arbeiten sowohl mit Maschen- als auch mit Ringtopologien und liefern für die meisten Anwendungen ausreichend schnelle Wiederherstellungszeiten. Dennoch erfordern die anspruchsvollsten industriellen Automatisierungsanwendungen oft extrem schnelle Wiederherstellungszeiten, die nur mit proprietären Ringprotokollen möglich sind.

Beispiel für proprietäre Ringprotokolle

Wie der Name schon sagt, sind proprietäre Ringprotokolle spezifisch für Hersteller von Netzwerkhardware. Zum Beispiel verwenden bestimmte N-Tron-Switches von Red Lion das proprietäre „N-Ring“-Ringprotokoll. Diese proprietären Protokolle kontrollieren Netzwerkschleifen und behandeln Verbindungsausfälle und bieten eine Alternative zu STP oder RSTP.

Wie bereits erwähnt, werden Ringtopologien in erster Linie für physikalisch verdrahtete industrielle Automatisierungsnetzwerke verwendet, da sie eine geringe Latenzzeit und höchste Zuverlässigkeit bieten - sowie die schnellsten Datenübertragungs- und Wiederherstellungsraten bei Link-Ausfällen. Redundanz ist der Schlüssel zur Wiederherstellung nach Verbindungsausfällen. Der Haken dabei ist, dass die Redundanz bei den problematisch wiederholten Daten der Schleifenbildung zu Problemen führen kann. Um dieses Problem zu vermeiden, sind Netzwerkprotokolle erforderlich, die eine Schleifenvermeidung und eine schnelle Wiederherstellung bei Verbindungsfehlern ermöglichen - insbesondere für industrielle Automatisierungsvorgänge, die keine Ausfallzeiten verzeihen. Proprietäre Ringprotokolle sind oft die beste Wahl für solche Anwendungen, bei denen es auf eine schnelle Fehlerbehebungszeit ankommt.

Betrachten Sie einige der am häufigsten verwendeten proprietären Ringprotokolle.

HiPER wurde 1999 von Hirschmann und Siemens als proprietäres Ringprotokoll veröffentlicht. Es ist jetzt in IEC 62439 standardisiert und führt den allgemeinen Namen „Media Redundancy Protocol“ (MRP). Es kann bis zu 200 Knoten unterstützen. Während die Standardversion eine Wiederherstellungszeit von 500 ms bietet, beträgt die Wiederherstellungszeit des Fast-HiPER-Rings nur 60 ms.

Resilient Ethernet Protocol (REP) ist ein proprietäres Protokoll von Cisco, das auch von Rockwell Automation und Westermo verwendet wird. REP bietet ein schnelles und vorhersehbares Netzwerkverhalten und behauptet Wiederherstellungszeiten von nur 20 ms. Einige Einschränkungen sind, dass REP nicht Plug&Play-fähig ist und dass es nicht automatisch Schleifen verhindert. Stattdessen muss REP richtig konfiguriert werden, um diese Funktionen zu liefern. REP funktioniert durch die Erstellung von Sammlungen von miteinander verketteten Ports - in Sequenzen, die Netzwerksegmente genannt werden.

X-Ring ist die von Advantech entwickelte Ringtechnologie mit der vielleicht schnellsten behaupteten Wiederherstellungszeit von nur 10 ms. Die Einschränkung hier ist, dass X-Ring auf relativ kleine Netzwerke mit 20 oder weniger Knoten beschränkt ist.

Das bereits erwähnte proprietäre N-Ring-Protokoll von Red Lion bietet eine Wiederherstellungszeit von 30 ms und die Fähigkeit, große Netzwerke zu unterstützen - mit bis zu 250 Knoten.

Es gibt einen Grund für die oben aufgeführte ziemlich große Bandbreite an Geschwindigkeiten. Obwohl TCP- und UDP-Netzwerkprotokolle leicht unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, haben die Topologie und das Managementprotokoll eines Industrienetzwerks einen wesentlich größeren Einfluss auf die Netzwerkgeschwindigkeit. Beispielsweise haben STP-Redundanzring-Netzwerke Wiederherstellungsgeschwindigkeiten von 30 bis 90 Sekunden bei TCP und 10 bis 50 Sekunden bei UDP; RSTP reduziert diese Werte auf eine bis drei Sekunden. Die Wiederherstellungszeiten für Maschennetzwerke sind sogar noch höher. Im Gegensatz dazu können sich bestimmte proprietäre Ringnetzwerke von Link-Ausfällen in nur 0,3 Sekunden bei TCP, oder 0,2 Sekunden bei UDP erholen. Einige Hersteller versprechen sogar deutlich bessere Wiederherstellungszeiten für ihre proprietären Ringnetzwerke, manchmal bis auf weniger als 10 ms.

Fazit zu Ringtopologien in der industriellen Automatisierung

Ringtopologien sind für verdrahtete industrielle Automatisierungsnetzwerke üblich. Ihre niedrige Latenz und höchste Zuverlässigkeit werden oft durch proprietäre Methoden ergänzt, um Schleifenbildung zu verhindern und Verbindungsausfälle besser zu behandeln als herkömmliches STP oder RSTP.

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Über den Autor

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner is an engineer who has designed sawmills and medical devices; addressed uncertainty in aerospace manufacturing systems; and created innovative laser instruments. He has published in numerous peer-reviewed journals and government summaries … and has written technical reports for Rolls-Royce, SAE International, and Airbus. He currently leads a project to develop a e-bike detailed at betterbicycles.org. Muelaner also covers developments related to decarbonization technologies.

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