Inhalt

• Ethernet Übersicht und Protokolle • Ethernet Schicht-1 Industrielle Bussysteme : Ethernet • Ethernet Link Schicht • Medium Access Control • Logical Link Control – LLC Dr. Leonhard Stiegler Automation • Ergänzende LAN Protokolle

www.dhbw-stuttgart.de

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 1 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 2 5. Semester, Automation, 2015

Definitionen IEEE 802 Standardisierung

Ein Computernetz ist eine Zusammenschaltung von Host-Rechnern, die 802.1 LAN/MAN Architecture Informationen austauschen über WGs: Interworking, - Übertragungsverbindungen und Security, Audio/Video Bridging and Netzknoten - Congestion Management. Ein Lokales Netz (LAN) umfasst in der Regel einen begrenzten 802.2 : Logical Link Control (LLC) geografischen Bereich, wie z.B. ein Gebäude, Stockwerk oder einen 802.3 : Ethernet Campus Basic Ethernet 10 Mbit/s Ethernet ist eine weit verbreitete LAN Technologie. Sie definiert Fast Ethernet 100 Mbit/s over copper or fibre Gbit-Ethernet 1 Gbit/s over copper or fibre - das Übertragungsmedium 10G-Ethernet 10 Gbit/s over optical fibres - den Zugang zum Medium 802.11 : WLAN - die physikalischen Übertragungseigensaften und Prozeduren 802.16 : WMAN Ethernet ist Teil der Standardisierungsfamilie 802 802.17 : Resilient Packet Ring

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 3 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 4 5. Semester, Automation, 2015 IEEE 802.3 Standards LAN Characteristika

Führende Rolle in den Ethernet IEEE 802.3 Implementierungen Universelle IEEE 802.3 Medium Access Control Adressierung Section 1: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) Zugangsmethode und physikalische Schicht Hohe Datenrate: aktuell über 10 Gbit/s Möglichkeit der optischen Datenübertragung Section 2: Einführung in 100 Mb/s Basisband Netze, 100BASE-T, FE Entwicklung von Bus-Topologie (shared medium) zur Stern Topologie (dedicated media) Section 3: Einführung in 1000 Mb/s Basisband Netze, GE Anwendungen: Private Netze, Zugangsnetze, Stadtnetze (Metropolitain Area Section 4: Einführung in 10 Gb/s Basisband Netze Networks) Weitverkehrsnetze (Wide Area Networks)

Diesteintegration: Echtzeit Sprache und Video Section 5: Einführung in Ethernet für Teilnehmer-Zugangsnetze Wireless LAN Implementierungen (IEEE 802.11, IEEE 802.16)

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 5 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 6 5. Semester, Automation, 2015

Netzwerke Netzelemente der Protokollschichten

Lokale Netze (Local Area Networks) Broadcast domain / Internet subnetwork Arbeitsplatz Collision Zuhause Segment domain Telekommunikationsnetze Switch Hub Hub B Hub Hub Router Automatisierungstechnik Collision Segment Transport (Schiene, Luft, Wasser) domain Medizintechnik Application Application Ethernet Elemente Gateway Schicht-1 : Hub (wird nicht mehr verwendet) Transport Transport Switch / Bridge Network Router Network

- Schicht-1 Funktion : Port Data link Bridge/Switch Data link - Schicht-2 Funktion : Verbindung von Eingangsport mit Ausgangsport Physical Repeater/Hub Physical

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 7 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 8 5. Semester, Automation, 2015

Bridge, Switch und Router Netzelemente : vom Hub zur Bridge

LAN Segment 1 B/S • Bridge/Switch verbindet Schicht-2 LAN Segmente Router LAN (local traffic)

R • Router verbindet Schicht-3 Netze Traffic between Host segments Bridge B/S LAN Segment 2 R WAN LAN (local traffic) LAN segment LAN segment Subnet R Host B/S Ein Hub “lötet” zwei LAN Segmente zusammen: jede Nachrícht wird an alle Ports weiter verteilt LAN segment LAN segment Subnet Eine Bridge “überspannt” zwei LAN Segmente: nur Nachrichten an Empfänger im jeweiligen Segment werden übermittelt

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 9 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 10 5. Semester, Automation, 2015

LAN Architekturbeispiel LAN Segmentierung

LAN Segmente Einzelsegment - LAN Broadcast Domain LAN Segment

Zweisegment - LAN Router Collision Repeater/Hub Bridge oder Switch LAN Segment Mit Repeater angebunden Domains

Heutige LAN Implementierungen verwenden keine Repeater, da diese LAN Segment Funktionen so genannte Collision domains bilden Bridge oder Switch Die Übertragungskapazität in collision domains wird durch das geteilte Medium reduziert

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 11 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 12 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt LAN Architektur

• Ethernet Übersicht und Protokolle Ethernet (10Mbit/s) Fast Ethernet - FE Gigabit Ethernet • Ethernet Schicht-1 MAC User (e.g. LLC) LLC MAC Control (opt.) • Ethernet Link Schicht MAC Medium Access Control (MAC) • Medium Access Control PLS Reconciliation Reconciliation Reconciliation • Logical Link Control – LLC MII GMII GMII • Ergänzende LAN Protokolle AUI PLS PCS PCS AUI PMA PMA PHY PMA PMA PMD PMD MDI Medium

PLS: Physical Layer Signalling MII: Medium Independent Interface AUI: Attachment User Interface PCS: Physical Coding Sublayer PMA: Physical Medium Access PMD: Physical Media Dependent Sublayer MDI: Media Dependent Interface LLC: Logical Link Control

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 13 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 14 5. Semester, Automation, 2015

Ethernet Protokollschichten LAN Verkabelung: Twisted Pair Link Schicht-1 Funktionen Medium Access Medium Independent Interface User-to-System Medium Interface Schicht-2 Funktionen RJ-45 Stecker Zugang zum Übertragungsmedium Mediaum Access Control Protokollsteuerung MAC Control User port System port Link Verbindungssteuerung Logical Link Control MDI Twisted Pair Verkabelung MDI X

Application 1 1 TX TX2 RX2 RX Presentation 3 3 ? Logical Link Control (opt.) RX 4 4 Session 5 5 ?TX MAC Control (opt.) 6 6 Transport 7 7 Medium Access Control RX8 TX8 Network Data Link Medium Independent Interface Physical Medium Access Bei einer 1:1 Verkabelung müssen die Ports einer Seite getauscht werden (MDIX).

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 15 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 16 5. Semester, Automation, 2015 LAN Verkabelung: Twisted Pair Link Ethernet BASE Übersicht

Variant Cable specification (min.) Maximum Distance System-to-System Ethernet System port System port 10BASE-T Class C, 2 x UTP, 16 MHz 100 m HD/FD Fast Ethernet 100BASE-TX Class D, 2 x UTP, 100 MHz 100 m HD/FD TX TX MDIX MDIX 100BASE-T4 Class C, 4 x UTP, 100 MHz 100 m HD RX RX 100BASE-FX 2 x 62,5/50 µm, MMF, 1310 nm 400 m HD 2 km FD Gigabit Ethernet MDI RX TX MDI 1000BASE-T Class D, 4 x UTP, 100MHz 100 m HD MDIX TX RX MDIX 1000BASE-CX STP 150 Ohm, 25 m HD 1000BASE-SX 50 µm, MMF, 850 nm 550 m FD 62,5 µm, MMF, 850 nm 260 m FD 1000BASE-LX 50 µm, MMF, 1310 nm 550 m FD 62,5 µm, MMF, 1310 nm 440 m FD 9 µm, SMF, 1310 nm 3 km FD

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 17 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 18 5. Semester, Automation, 2015

Fast Ethernet Gigabit Ethernet

100Mbit/s Media Access Control Protocol (MAC) 1000MBit/s Media Access Control Protocol (MAC) 802.3u CSMA/CD 802.3z CSMA/CD

Media Independent Gigabit Media Independent Interface (MII) Interface (GMII) 1000BaseCX

100BaseT4 100BaseTX 100BaseFX 802.3ab 1000BASE LX 1000BASE SX 1000 BASE CX 1000BaseT

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 19 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 20 5. Semester, Automation, 2015 Gigabit Ethernet Architektur Medium und Übertragungsdistanz

Internet LLC - Logical Link Control 1550 nm, 9µ SM Protokollschichten 1000BaseLH MAC - Media Access Control 1310 nm, 9µ SM User Reconciliation Reconciliation 1000BaseLX 9µ SM Application 1310/ GMII GMII 50µ or 62,5µ MM, 400 or 500 MHz/km Transport 1300 nm PCS PCS 50µ MM, 500 MHz/km Network 50µ MM, 400 MHz/km PMA PMA 1000BaseSX Data Link PMD PMD 850 nm 62,5µ MM, 200 MHz/km Physical 62,5µ MM, 160 MHz/km Medium 1000 Mbit/s 1000BaseT 4pr. Cat 5 UTP

PCS: Physical Coding Sublayer 1000BaseCX Balanced Cooper m PMA: Physical Medium Attachment 25 100 220 275 500 550 3km 100km PMD: Physical Medium Dependent 49km

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 21 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 22 5. Semester, Automation, 2015

Gigabit Ethernet und CSMA/CD Auto-Negotiation

Roundtrip Delay und Übertragungsdistanz Auto-Negotiation heißt die Prozedur, die zur Bestimmung einer 10 Mbit/s gemeinsamen Übertragungsart (Mode) verwendet wird Modes: 10BASE, 100BASE (FE), 1000BASE (GE) 26.1 µs 5 km 51.2 µs 10 km Am Ende der Prozedur steht ist mit der Betriebsart auch die maximale 100 Mbit/s Übertragungs-Datenrate festgelegt

2.6 µs 500 m 5.1 µs 1 km Basisfunktionen Falls nur ein Port Auto-Negotiation unterstützt (nicht üblich): 1000 Mbit/s Verwendung von 10BaseT Mode. Beide Ports unterstützen Auto-Negotiation. 0.26 µs 50 m 0.5 µs 100 m Verhandlung der Betriebsart (Geschwindigkeit) Bedingungen: • Rahmengröße = 64 bytes = 512 bits • Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit = 200 000 km/s

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 23 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 24 5. Semester, Automation, 2015 Synchronisation: Link Pulse Auto-Negotiation Synchronization : Link Handshake Link partner (LP) Local device (LD)

Link pulse

16,8ms 1. LCW kontinuierlich senden (LD) mit Ack=0 User port System port (Info to LP: I do not yet know about you.) 2. Empfang 3 aufeinander folgender, gleicher LCWs (LP) mit Ack=x TX RX (LD now recognizes the LCW of LP.) 3. LCW (LD) mit Ack=1 senden Data RX TX (Info to LP: I received your LCW.) 4. Empfang 3 aufeinander folgender, gleicher LCWs (LP) mit Ack=1 (Info from LP to LD: I received your LCW.) 5. Senden weiterer 6-8 LCWs (LD) mit Ack=1 (To be certain that the handshake is complete.) LCW: Link Control Word

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 25 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 26 5. Semester, Automation, 2015

Signalisierung bei der Auto Negotiation Arbitration Funktion

PHY-Layer Primitive: PMA_Link.Request Funktion: Link Control, Auto-negotiation. Management Der Link Control Parameter kann die Werte: SCAN_FOR_CARRIER, DISABLE, oder ENABLE einnehmen Der Fast Link Pulse (FLP) Burst besteht aus einer Gruppe 17 – 33 Auto Auto Auto 10BASE-T kömpatiblen Link Integrity Test Pulsen. PHY PHY Negotiation Negotiation Negotiation Jeder FLP Burst kodiert 16 Datenbits mittels alternierender Takt- und Signalling Signalling Receive Daten-Impulsfolge. Transmit Arbitration

PMA_Link.request(link status) PMA_Link.indication(link status) Clock Impulse Technology dependent interface

Daten Impuls Daten Impuls : D =1 PMA: Physical Medium Access PMA - 1 D = 1 PMA - 1 fehlender Datenimpuls PMA - 1 Link Daten Beispiel: ... 1 0 1 1 ... D = 0

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 27 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 28 5. Semester, Automation, 2015 Base Link Codeword Format Next Page Link Codeword Format

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 T Ack2 MP Ack NP

S0 S1 S2 S3 S4 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 RF Ack NPNP Message Code/Unformatted Code Field

Technology Ability Field Selector Field Toggle Bit Acknowledge 2 Bit Selector: Remote Fault Bit Auswahl Netztechnologie Message Page Bit Acknowledge Bit Technology Ability: Acknowlege Bit Next Page Bit Auswahl Interfacemode Next Page Bit

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 29 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 30 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Ethernet Protokollschichten Schicht-1 Funktionen • Ethernet Übersicht und Protokolle Medium Access Medium Independent Interface • Ethernet Schicht-1 Medium Interface • Ethernet Link Schicht Schicht-2 Funktionen • Medium Access Control Zugang zum Übertragungsmedium Mediaum Access Control Protokollsteuerung MAC Control • Logical Link Control – LLC Link Verbindungssteuerung Logical Link Control • Ergänzende LAN Protokolle Application

Presentation Logical Link Control (opt.) Session MAC Control (opt.) Transport Medium Access Control Network Data Link Medium Independent Interface Physical Medium Access

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 31 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 32 5. Semester, Automation, 2015 Layer-2 Bridge/Switch MAC Rahmen

Rahmen übertragen : Eingangsport -> Ausgangsport Fehlerhafte Rahmen beseitigen LSB MSB Rahmen zwischenspeichern und filtern Transmission Durchführung von Management Funktionen octets 7 Preamble TAGGED Frame direction Durchführung von Quality of Service (priority, traffic class) Aufgaben 1 SFD Destination Address 6 Switch 1 Switch 2 MAC Header Source Address 8100h = Q-TAG 6 Length / Type VLAN TAG User Data LLC LLC 2 (Padding) 2 additional octets

Frame Check Sequence RELAY 46-1500 MAC MAC Extension 4

PHY SFD: Start Frame Delimitter

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 33 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 34 5. Semester, Automation, 2015

Aufgabe MAC Addressen Format

• Aktivieren Sie Ihren Raspberry PI Beispiele: • Laden Sie die GUI Unicast: 00-01-68-50-23-45 I/G U/L • Verbinden Sie sich mit dem lokalen Kurs-WLAN Broadcast: FF-FF-FF-FF-FF-FF 1 2 Hersteller Code Interface Code • Laden Sie das Trace-Programm Wireshark Multicast: 01-80-C2-00-00-00 im shell-Fenster: sudo wireshark 3 24 48 Bits Multicast • Aktivieren Sie einen Wireshark trace auf der WLAN0 – Schnittstelle I/G: 0 = Individuelle Addresse; • Analysieren Sie die Ethernet Schicht Bridge Management 1 = Gruppenaddresse (Broadcast = FFh) U/L: 0 = Globale Addresse; 1 = Lokale Addresse

Type / Length Field: Beispiele: 0800 (2048): IP 2 Octets 0806 (2054): ARP

Falls Paket > = 1536 (0600h) TYPE - Interpretation : Protokoll - ID

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 35 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 36 5. Semester, Automation, 2015 MAC Adressierungsmethode Frame Bursting

A B C D

Frame n IFG Frame 3 IFG Frame 2 Extension Frame 1

F Data S D 512 bytes

IFG: Inter Frame Gap (96 Bits) Slottime CSMA/CD

Nachricht (höhere Schichten): Data Burst timer: Max. 8192 bytes + Dest. address D + Source address S Max. Burst Dauer: Burst timer + Rest of last frame + Error checking F = Frame (packet) F Data S D

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 37 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 38 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Virtual Local Area Network (VLAN)

• Ethernet Übersicht und Protokolle VLANs gruppieren Ethernet Hosts zu einem gemeinsamen LAN • Ethernet Schicht-1 VLANs ermöglichen die Trennung der Ethernet Dienste • Ethernet Link Schicht Durch VLANs werden logische und physikalische Strukturen getrennt • Medium Access Control VLAN forwarding ermöglicht die Implementierung von Ethernet- basierten QoS Diensten • Logical Link Control – LLC Der Ethernet Header besitzt zusätzlich 2 Bytes für die VLAN • Ergänzende LAN Protokolle Adressierung VLAN-tagged frame: 68-1522 bytes 4 0-46 0-1500 2 2 2 6 6 Source Destination T/L T/L

FCS Pad Data TCI

TPID TPID Address Address Length 81-00 46-1500 VLAN protocol identification TPID : TAG Protocol Identifier TCI: TAG Control Information

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 39 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 40 5. Semester, Automation, 2015 VLAN Tag Control Information (TCI) Virtual LAN Prinzipien (1)

1 Virtual LAN Standard: IEEE 802.1Q TPID = Type 2 3 Ethernet 802.3 VLAN Definition auf Port-Ebene TCI 4 Jedes VLAN kann als unabhängiges LAN betrachtet werden

2 PCP VID Access BB Access switch CFI VLAN1switch switch VLAN1 VLAN1 8 1 8 1 VLAN1 CFI: Canonical format identifier BB VID: VLAN identifier Access switch Access TPID: TAG protocol ID switch VLAN2 switch VLAN2 PCP: Priority Code Point VLAN2 VLAN2 TCI: TAG control information

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 41 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 42 5. Semester, Automation, 2015

Virtual LAN Principles (2) Virtual LAN Principles (3)

Eine Netz-Infrastruktur für beide LANs Tag Access Access BB Switch switch Switch VLAN1 VLAN1 VLAN1 Access BB Access Access Switch Switch Switch Access BB VLAN2 Switch VLAN2 VLAN2 Switch Switch VLAN1 VLAN1 VLAN1 VLAN Area (IEEE 802.1Q Frames) Access BB Access VLAN-TAGs werden in Ethernet frames eingefügt Switch Switch Switch VLAN2 VLAN2 VLAN2 Ethernet IEEE 802.3 Frames (End-to-End)

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 43 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 44 5. Semester, Automation, 2015 Ethernet Frame with VLAN Tag VLAN Arten (1)

IEEE 802.3/Ethernet DIX V2 Header Frame Length : 68 Schicht-1 VLAN: Destination Address : 00-80-16-00-80-C0, – LAN Switch Port abhängig Source Address : 00-80-16-00-00-00, – unabhängig vom Schicht-2 Protokoll 802.1q Tag Type ID : 0x8100 Frame Checksum : Good, Schicht-2 VLAN: Frame Check Sequence : 01 4B 34 07 – Abhängig von der MAC-Addresse IEEE 802.1q - Virtual Bridged LAN – unabhängig vom Schicht-3 Protokoll Tag Control Information : 0x2800 1...... = Priority = 1 ...0 ...... = RIF Field is Not Present Schicht-3 VLAN: .... 1000 0000 0000 = VLAN ID = 2048 – Abhängig von der IP-Adresse Frame Format : Ethernet DIX V2 – Definiert ein logisches Subnetz Ethertype : 0x800 (IP) IP - Internet Protocol Anwendungsschicht VLAN: Version : 4, – Anwendungs-spezifisch z.B.VoIP Header length : 20 Type of Service : 0x00

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 45 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 46 5. Semester, Automation, 2015

VLAN Arten (2) Forwarding Prozess

Reception Port Port-VLAN Schicht-2 VLAN Protokoll-VLAN Reception Port State Active Topology

Ingress

Frame Filtering Filtering Database Egress State Schicht-3 VLAN Flow Metering Transmission Port Transmission Queueing frames

Queue Management Queue Management 802.1Q unterstützt Paketfilter für höhere Protokollschichten unterschiedliche Anwendungen können dadurch Transmission selection mit spezifischen QoS – Anforderungen transportiert werden Transmission Port

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 47 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 48 5. Semester, Automation, 2015 Traffic Priorisierung (IEEE 802.1D/p) Prioritätsklassen Network Control: garantierte Zustellung der Rahmen mit höchster Priorität IEEE 802.1D/p Internetwork Control: getrennte administrative Domains in großen Netzen Spezifiziert die dienstabhängige Verteilung und Priorisierung der LAN- Sprache: Bandbreite Verzögerung ≤ 10 ms, max Jitter nur durch die LAN Infrastruktur vorgegeben 8 Priority Levels (0 – 7) Video: Priorität wird durch die p-Bits im VLAN-Tag spezifiziert Verzögerung ≤ 100 ms als primäre QoS Anforderung. Möglichkeiten für das Management von : Kritische Anwendung: garantierte min. Datenrate als primäre QoS Anforderung Latenzzeit Excellent Effort: Durchsatz best-effort Service-Typ für Prime-users. Best Effort: Standard Verkehrsart für unpriorisierte Anwendungen Background: für Massendaten-Anwendungen ohne Auswirkungen auf die Netzgüte

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 49 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 50 5. Semester, Automation, 2015

Priorisation: Weighted Round Robin (WRR) Weighted Random Early Discard

Switch/Router Switch/Router Discard Forward WRED WRR High High A 1x 10x Forwarded Medium Discarded Medium B 4x 4x Forwarded Low Discarded Low C 10x 1x Round Robin

Frames discarding factor

A B C

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 51 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 52 5. Semester, Automation, 2015 Scheduling Methoden: WRR und WED Inhalt

WRR: Weighted Round Robin • Ethernet Übersicht und Protokolle WED: Weighted Early Discard • Ethernet Schicht-1 Switch/Router • Ethernet Link Schicht Forward Discard • Medium Access Control WRR WRED • Logical Link Control – LLC High High 10x 1x • Ergänzende LAN Protokolle

Medium Medium 4x 4x

Low Low 1x 10x

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 53 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 54 5. Semester, Automation, 2015

MAC Management Sublayer Datentransport

Processing Functions Control Function MAC User, Logical Link Control Application MAC USER Opcode MAC USER Opcode Data_Ind. processing processing Presentation Data_Req Control_Req Control_Ind DATA DATA Session Control Control MAC Control (opt.) Transport Parser: Parser: Transmit_Frame TYPE/Length field TYPE/Length field Network Receive_Frame Data Link Medium Access Control Physical FRAME FRAME

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 55 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 56 5. Semester, Automation, 2015 MAC Operation MAC Definitionen

Slot Time Data Encapsulation (Senden und Empfangen) Min. Übertragungszeit für einen Rahmen. Berechnung: Lmin * Übertragungsrate Lmin = 512. Für 10Mbit/s : Slot time = 512 * 10Mbit/s = 51.2 µs (1000Mbit/s: Rahmenbildung 0.512 µs) frame boundary delimitation, frame synchronization Interframe Gap Adressierung Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Rahmen. Das Interframe Gap dauert source address und destination address 96 Bits. Bei 10 Mbit/s beträgt das Interframe Gap 9.6 µs (100Mbit/s: 0.96 µs) Fehler Erkennung Roundtrip Delay Physical Medium Transmission Errors mittels FCS Berechnung Beträgt die doppelte Signalverzögerungszeit zweischen Sender und Empfänger. Media Access Management Regel: Roundtrip Delay < Slot Time Medium Belegung Backoff Time collision avoidance Wartezeit nach einer Kollisieonserkennung. Backoff time = N * Slot Time. N ist Bewerbung um das Medium eine Zufallszahl zwischen 1 und 1023. Maximalwert: 52377.6 µs. contention resolution, collision handling Frame Bursting Zusammenfassung mehrerer Rahmen zu einem Burst mit einer max. Dauer von 65.536 µs .

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 57 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 58 5. Semester, Automation, 2015

Daten Filter Rahmen Übertragung : Frame Forwarding

! Daten Filter ermöglichen die Kontrolle über spezielle Quell- und Rahmen Empfang Forwarding Zieladressen in bestimmten Netzsegmenten. an Port X ! Diese Funktion erlaubt den Aufbau von Verwaltungsgrenzen über welche bestimmte MAC-Adressen nicht weitergegeben werden MAC-@ in ! Filter-Regeln und Filter-Entscheidungen werden bezüglich der MAC- Tabelle suchen Adressen durchgeführt Rahmen von Port X Nicht gefunden: flooding gefunden

Rahmen an Send frame to Delete Frame Ziel Y senden all ports except X Learning empfangener Filter Relaying Rahmen Data Base empfangener Quell-Adresse Filter suchen Rahmen Data Base Rahmen Adresse nicht gefunden Transport Adresse gefunden Übertragung Backward Update Adresse Addresse + Learning und Zeit Port-ID eintragen

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 59 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 60 5. Semester, Automation, 2015 Ablauf : 1. Anfrage Ablauf : Antwort

100:13:02:39:e5:f7 Host 100:0a:95:d1:52:30 100:13:02:39:e5:f7 Host 100:0a:95:d1:52:30 Host Host Port ist jetzt Reply message Gerät bekannt mit from 100:0a:95:d1:52:30 eintreffender Rahmen LAN MAC-@ LAN an 100:0a:95:d1:52:30 Network Network Bridge Printer Bridge Printer

100:80:77:31:b6:45 100:80:77:31:b6:45 100:04:0e:73:3f:3d 100:04:0e:73:3f:3d MAC Port 100:13:02:39:e5:f7 2 erstes MAC Port Mal: flooding -> 100:13:02:39:e5:f7 2 Rahmen 100:0a:95:d1:52:30 3 an MAC-Address Learning -> alle anderen Eintrag Ports in die MAC- Tabelle

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 61 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 62 5. Semester, Automation, 2015

Ablauf : weitere Anfragen Zusammenfassung

100:13:02:39:e5:f7 Host 100:0a:95:d1:52:30 Schicht-2 Netzelement : Switch Host Die MAC-Tabelle enthält die Schicht-2 Adressen (MAC- MAC-Tabelle Message LAN Adressen) der to 100:0a:95:d1:52:30 angeschlossenen Geräte und Network deren Port-Nummer. Printer Bridge Paketzustellung Packet Forwarding durch die Zu anderen Schicht-2

100:80:77:31:b6:45 Switch oder Schicht-3 Geräten 100:04:0e:73:3f:3d Switch Software mit dieser nächstes Tabelle. (Switch/Router) Forwarding: Lebensdauer der MAC- gleich an den richtigen Tabellen-Einträge ca. 300 sek. Viel weniger Verkehr Ziel-Port Eintrag wird gelöscht, wenn und viel sicherer! kein Paket übertragen wird. Downstream Upstream

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 63 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 64 5. Semester, Automation, 2015 Kollisionen CSMA/CD Prozedur

Moderne Ethernet LANs vermeiden Kollisionen durch Punkt-zu-Punkt Topoligie Eine Collision Domain ist ein Netzsegment in dem Datenkollisionen auftreten können, wenn zwei Stationen gleichzeitig den Bus belegen. DATEN Zur Vermeidung von Kollissionen dient CSMA-Zugangsmethode, bei der der the Medium-Zustand überwacht wird. Ja Carrier sense Medium besetzt ? CSMA/CD Kollisionserkennung Nein

Übertragen und hören

Collision domain = max. 247,35 bit times Ja JAM Random Collision Detect Kollission? Roundtrip-Delay: max. 494,7 bit times Signal Wait

Nein

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 65 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 66 5. Semester, Automation, 2015

MAC-Schicht : Management Operationen MAC Control Operations

Processing Functions Control Code Function Name Comment Function 00 00 Reserved MAC USER Opcode MAC USER Opcode 00 01 PAUSE Flow Control: stop transmission processing processing 00 02 GATE Flow Control: start transmission DATA Control DATA Control 00 03 REPORT Pending transmission requests Parser: Parser: 00 04 REGISTER_REQ Flow Control: registration request TYPE/Length field TYPE/Length field 00 05 REGISTER Flow Control: registration 00 06 REGISTER_ACK Flow Control: registration acknowledged FRAME FRAME 00 07-FF FF Reserved

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 67 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 68 5. Semester, Automation, 2015 MAC Control Frame PAUSE Operation

LSB MSB Opcode = PAUSE command Übertragungs- octets 7 Preamble Richtung 1 SFD Warten auf Destination Address Transmission completion 6 Source Address DA = 01-80-C2-00-00-01 6 Length / Type Par: PauseTime MAC Header 2 MAC Control Opcode PAUSE Funktion DA <> Multicast Address MAC Control Parameters PAUSE Timer Start .... Reserved

Frame Check Sequence UCT

UCT = Unconditional Transition

4 End PAUSE SFD: Start Frame Delimitter

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 69 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 70 5. Semester, Automation, 2015

Full Duplex Flusskontrolle Multipoint MAC Control

Danger of Multipoint MAC Control deals with mechanism and control protocols packet loss required in order to reconcile the P2MP topology into the Ethernet framework. MAC-Pause MAC-Pause When combined with the Ethernet protocol, such a network is referred to as Ethernet passive optical network (EPON). Data Data Data Data Data Data Data Data Data P2MP is an asymmetrical medium based on a tree (or tree-and-branch) topology. Beispiel: PON Topologie ONU 1

FCS Pads Control OpCode Typ SA DA ONU 2 OLT Pause time: 00 to FF 01-80-C2-00-00-01 Splitter Pause Rahmen 00-01 88-08 MAC Control Rahmen ONU n

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 71 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 72 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Ethernet Protokollschichten

• Ethernet Übersicht und Protokolle Schicht-2 Funktion • Ethernet Schicht-1 Link Verbindungssteuerung Logical Link Control • Ethernet Link Schicht • Medium Access Control LLC bildet die Schnittstelle zur Netz-Schicht (Schicht-3) wie z.B. das • Logical Link Control – LLC Internet Protokoll (IP) • Ergänzende LAN Protokolle Application

Presentation Logical Link Control (opt.) Session MAC Control (opt.) Transport Medium Access Control Network Data Link Medium Independent Interface Physical Medium Access

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 73 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 74 5. Semester, Automation, 2015

LLC Dienste LLC Primitives

LLC System A MAC LLC System B MAC Logical Link Control stellt der übergeordneten Schicht Dienste zur DL-UNITDATA request MA_Data Verfügung, die durch Service Access Point Addresses (SAP) aktiviert DL-UNITDATA indication werden. DL-DATA_ACK request Ein SAP adressiert Prozeduren für spezifische Dienste der DL-DATA_ACK indication MA_Data Protokollschicht DL-CONNECT request MA_Data SAPs werden z.B. für Signalisierung, Management und Datentransfer DL-CONNECT indication verwendet. MA_Data DL-CONNECT response LLC Dienste werden durch LLC Dienstprimitive aktiviert DL-CONNECT confirm DL-DATA request MA_Data DL-DATA indication DL-Flowcontrol request MA_Data LLC Service-Arten: DL-Flowcontrol indication Verbindungslos - unquittiert Type-1 Operationen DL-DISCONNECT request MA_Data DL-DISCONNECT indication Verbindungsoritentiert Type-2 Operationen DL-RESET request MA_Data DL-RESET indication Verbindungslos - quittiert Type-3 Operationen DL-RESET response DL-RESET confirm MA_Data

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 75 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 76 5. Semester, Automation, 2015 LLC Nachrichten LLC Rahmenformat

Symbol Name C/R Symbol Name C/R Destination Source Length Frame LLC Data Check Address Address Type I Information C/R XID Exchange Identification C/R Sequence RR Receive Ready C/R TEST Test message C/R Octetts: 6 6 2 8 38 .. 1492 4 RNR Receive not Ready C/R AC0 Acknowledged CL C/R DSAP SSAP Information Seq. 0 Control Information REJ Reject C/R Address Address AC1 Acknowledged CL C/R Bytes: 1 1 1 or 2 M FRMR Frame Reject R Information Seq. 1 DSAP SSAP Sub-Network UI Unnumbered Information C SNAP Frame Control SNAP Address Address Access Protocol UA Unnumbered Ack R non-HDLC Messages Bytes: 1 1 1 or 2 5 DISC Disconnect C OUI Type (EII) DM Disconnect Mode R SABME Set Asynchronous C Bytes : 3 2 Balaced Mode extended DSAP: Destination Service Access Point Address SSAP: Source Service Access Point Address Control: Command/Response function (16 bit format includes numbering) HDLC Messages Information: Protocol Parameter field Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 77 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 78 5. Semester, Automation, 2015

LLC Adresse und Control Format Inhalt

DSAP SSAP • Ethernet Übersicht und Protokolle I/G D D D D D D D C/R S S S S S S S • Ethernet Schicht-1 • Ethernet Link Schicht I/G = 0: individual DSAP C/R = 0: Command • Medium Access Control I/G = 1: Group DSAP C/R = 1: Response • Logical Link Control – LLC Example: DSAP = 1 1 1 1 1 1 1 1 (FFh) : Global DSAP Address • Ergänzende LAN Protokolle – Spanning Tree Protocol – STP , RSTP Control fileld formats: – Link Aggregation Control Protocol - LACP

0 N(S) 7 bits P/F N(R) 7 bits I-Format

1 0 S S X X X X P/F N(R) 7 bits S-Format

1 1 M M P/F M M M U-Format

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 79 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 80 5. Semester, Automation, 2015 Spanning Tree Protocol – STP und RSTP Spanning Tree Prozedur

Das Spanning Tree Protocol (STP) ist durch IEEE 802.1D spezifiziert Alle RSTP Switche sammeln mit Hilfe des Rapid Spanning Tree STP wird durch das Rapid STP ersetzt Protokolls Information über die existierenden Verbindungsleitungen RSTP kommuniziert mit STP Man nennt diese Nachrichten: Bridge Protocol Data Units (BPDUs) RSTP ist wie STP ein Link Management Protokoll Die RSTP-Procedur liefert: RSTP wird für die Ermittling redundanter Links verwendet. " Die Festlegung eines eindeutigen Root Switches als Redundate Links führen zu ungewünschten Transport-Schleifen in Ausgangspunkt für eine Spanning-Tree Netztopologie. lokalen Netzen. " Die Festlegung eines Designated Switches für jedes LAN In einem Ethernet LAN kann zwischen zwei Stationen nur ein aktiver Segment. Pfad bestehen. " Die Identifizierung von Schleifen (loops) im LAN-Netz und und RSTP definiert eine hierarchische Kommunikationsverbindung, das alle Blockierung der redundanten Switch Ports beteiligten Schicht-2 Netzelemente (Switches) einschließt RSTP blockiert alle redundanten Pfade

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 81 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 82 5. Semester, Automation, 2015

STP Port States Spanning Tree Adressen

• Multicast address: 01-80-C2-00-00-00 Jeder Port besitzt ein Status Register, das den • Bridge ID (BID): Priority MAC-Adresse aktuellen Port-Zustand 2 bytes 6 Bytes • Port ID: enthält Port 1; Port 2; Port n

Spanning Tree Prozedur

1. Jeder Switch erhält eine relative Prioritätszahl. Die BID = Prioritätszahl + MAC-Adresse 00-00- 00-80-16-30-03-7E definieren die Bridge-Priorität 2. Die Bridge mit der niedrigsten BID wird die Root Bridge Switch 3. Jede Bridge bestimmt einen Root Port = Port 1 Port 2 Port niedrigste Path Cost + geringste Entfernung Port n zur Root Bridge. Path Cost = 1000/line Kapazität in Mbit/s

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 83 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 84 5. Semester, Automation, 2015 RSTP Zustände Root Bridge und Root Port (Beispiel)

Listening. Aufnahme von RSTP-Nachrichten (BPDUs) und Ermitteln der L2 Netzkonfiguration P1 P1 Bridge-3 B3: -30-80-76 B4: -30-41-5A Learning. untere 3 Bytes der In diesem Zustand wird die Tabelle der angeschlossenen Geräte (MAC MAC-Adressen P2 P2 table) aufgebaut, die Ethernet-Rahmen aber noch nicht weitergeleitet. Bridge-1 L5 Forwarding. P1 P1 Normalbetrieb des Bridge-Ports. Im Normalbetrieb leitet der Port LAN- B1: -30-03-7E B5: -30-18-73 Pakete weiter oder er befindet sich im blockierten Zustand. P2 P2 L1 Blocking. Path costs: 100 In diesem Zustand sendet/empfängt der Port nur BPDUs. Andere LAN- Pakete werden nicht bearbeitet. Bridge priority: 00-00 P1 B2: -30-36-FA Bei der Inbetriebnahme eines RSTP-Switches befinden sich alle Ports MAC manufacturer ID: idn diesem Zustand P2 P3 00-80-16 L3 L4

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 85 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 86 5. Semester, Automation, 2015

Root Bridge und Root Port Festlegung Designated Bridge Port Festlegung

Der Root Port in jeder Bridge L2 L2 besitzt die geringsten Path Costs P1=RPP1 P1=RPP1 P1=RPP1 P1=RPP1 zur Root Bridge. B3: -30-80-76 B4: -30-41-5A B3: -30-80-76 B4: -30-41-5A DP markiert den Weg P2 P2 P2 P2=DPP2 Falls es mehrere zur Root bridge Ports mit den selben L5 L5 Path Costs zur P1 P1=RPP1 P1=DPP1 P1=RPP1 Root Bridge gibt B1: -30-03-7E B5: -30-18-73 B1: -30-03-7E B5: -30-18-73 entscheidet die = RB P2 P2 =RB P2=DPP2 P2 Port-Id. L1 L1

Niedrigster Adressenwert P1 P1=DPP1 -> Root Bridge B2: -30-36-FA B2: -30-36-FA P2=RPP2 P3 P2=RPP2 P3=DPP3 L3 L4 L3 L4

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 87 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 88 5. Semester, Automation, 2015 Ergebnis der Spanning Tree Prozedur Bridge Protocol Data Unit (BPDU)

L2 P1=Blocking Root Path 1. Root Bridge defined P1=RP P1=RP PID V T F Root ID Cost Sender BID PortID M-Age Max-A Hello FD 2. Designated ports identified B3: -30-80-76 B4: -30-41-5A 3. Blocking of redundant ports P2=BlockingP2 P2=DPP2 Field Name Length (Bytes) L5 Protocol ID (PID) 2 P1=DPP1 P1=BlockingP1=RP Version (V) 1 B1: -30-03-7E B5: -30-18-73 Type (T) 1 =RB P2=DPP2 P2=BlockingP2 Flags (F) 1 L1 Rood ID 8 Root Path Cost 4 P1=DPP1 Sender BID 8 B2: -30-36-FA Port ID 2 Message Age (M-Age) 2 P2=RPP2 P3=DPP3 Max-Age (Max-A) 2 L3 L4 Hello 2 Forward Delay 2

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 89 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 90 5. Semester, Automation, 2015

Priority Vector Bridge Configuration Example

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) Bridges tauschen Informationen (BPDUs) aus zur Ermittlung der Root Bridge und der kürzesten Entfernung (shortest path) von jedem LAN und allen anderen Bridges. Diese Information heißt: Spanning Tree Priority Vector.

Priority Vector Komponenten

Root Bridge Identifier, Netz Root Path Cost zur Root Bridge von der sendenden Bridge

Bridge Identifier der sendenden Bridge Lokal Port Identifier von dem Port über den die Nachricht übertragen wurde

Port Identifier von dem Port über den die Nachricht empfangen wurde internal Physikalische Topology Active Topologie

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 91 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 92 5. Semester, Automation, 2015 Priority Vector Berechnung Inhalt

port priority vector = {RootBridgeID : RootPathCost : DesignatedBridgeID : • Ethernet Übersicht und Protokolle DesignatedPortID : BridgePortID} • Ethernet Schicht-1 message priority vector = {RD : RPCD : D : PD : PB} • Ethernet Link Schicht root path priority vector = {RD : RPCD + PPCPB : D : PD : PB } • Medium Access Control Bedingungen für die Message Priority Vector als Ersatz für den Port Priority Vector: • Logical Link Control – LLC A ( (RD < RootBridgeID)) || • Ergänzende LAN Protokolle B ( (RD == RootBridgeID) && (RPCD < RootPathCost)) || – Spanning Tree Protocol – STP , RSTP ( (RD == RootBridgeID) && (RPCD == RootPathCost) && – Link Aggregation Control Protocol - LACP C (D < DesignatedBridgeID)) || ( (RD == RootBridgeID) && (RPCD == RootPathCost) && D (D == DesignatedBridgeID) && (PD < DesignatedPortID)) ||

( (D == DesignatedBridgeID.BridgeAddress) && E (PD == DesignatedPortID.PortNumber))

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 93 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 94 5. Semester, Automation, 2015

Link Aggregation - LACP Ethernet Protocol Layers Definition Das Link Aggregation Control Protocol LACP unterstützt die Gruppierung von Link Aggregation umfasst einen optionalen Sublayer zwischen der physikalischen Links zu einer logischen Einheit. Diese Link-Gruppe wird wie MAC User und der MAC- oder optionalen MAC Control - Schicht ein physikalischer Link behandelt

Eigenschaften: Application Logical Link Control Erhöhung der Datenrate: Presentation Die Kapazität mehrerer Ports addiert sich zu einem logischen Link Link Aggregation Session Load sharing: MAC Ctrl (opt.) MAC Ctrl (opt.) MAC Ctrl (opt.) Transport Schicht-2 Verkehr wird über mehrere Links verteilt Network Keine Änderung im IEEE 802.3 Rahmenaufbau MAC MAC MAC Data Link Netzmanagement: Link Aggregation Objecte sind im Standard Netzmanagement definiert Physical Physical Physical Physical Link Aggregation ist nur für Punkt-zu-Punkt Verbindungen im Full-duplex Mode verfügbar

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 95 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 96 5. Semester, Automation, 2015 Spanning Tree Nachteile Link Aggregation (IEEE 802.3-Clause 43)

Sieht aus wie eine Verbindung im Spanning Tree.

Nx1 Link

Trunk

Redundanz: hohe Umschaltzeit aus dem Blockierungszustand Lastverteilung: ungeeignet Skalierbarkeit: 10M/100M/1G; nicht n x 100M

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 97 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 98 5. Semester, Automation, 2015

Funktionsprinzip Referenzmodell

Aggregator: MAC User verbindet einen oder mehrere Hardware-Ports in einem System. verteilt Rahmen vom MAC Client an die Ports Link Aggregation FRAME FRAME sammelt empfangene Rahmen aus den Ports an den MAC Client Sublayer COLLECTION DISTRIBUTION System: Frame Frame + Port kann mehrere Aggregatoren für mehrere MAC Clients enthalten + Port Link Aggregation LINK AGGREGATION CONTROL ein Port gehört zu einer bestimmten Zeit einem bestimmten Aggregator Configuration Protocol Ein MAC Client wird zu einer bestimmten Zeit von einem bestimmten Aggregator bedient

Link Aggregation Control Function (LAC): MAC CTRL MAC CTRL MAC CTRL Die Port-Aggregation wird durch die Link Aggregation Control Function MAC MAC MAC realisiert.

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 99 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 100 5. Semester, Automation, 2015 Frame Distribution / Frame Collection Link Aggregation Control Protocol Konzept Functions Frame distribution LACP_Activity ACTIVE PASSIVE Zuständig für die Verteilung der Frames über die physikalischen Links. Parameter

Sicherstellung dass keine Frames verdoppelt wurden Actor Partner Frame collection Zustandig für die ursprüngle Wiederherstellung der Paket-Reihenfolge Data LAC-PDU Ablieferung der Pakete an die MAC Client Funktion. und Zustands- Aktiv Information LAC-PDU Frame Frame Need to transmit (NTT) distribution collection Empfang Senden Periodische LAC-PDU LAC-PDU MAC MAC Übertragung user user

Im LACP gibt es keinen Frame Loss Detection und Retry Mechanismus

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 101 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 102 5. Semester, Automation, 2015

LACP Nachrichten Link Priority

Link Aggregation Control konfiguriert und überwacht den Link Aggregation Jedem LACP-Link ist eine eindeutige Priorität zugewiesen sublayer mittels statischer und dynamischer Informationen Prio-0 ist der höchste Prioritätswert. LACP Protocol Data Unit Format: Ports werden gemäß ihrer lokalen Priorität bezeichnet. Subtype Actor Partner Collector DA SA L/T Ver FCS LACP Information Information Information System Priority (System-ID)

Len AS Act Act AP Act Act Port Priority Port Priority Port Priority Res 20 Prio Sys Key Prio Port St (Port-ID) (Port-ID) (Port-ID)

Len PS Prt Prt PP Prt Prt Res 20 Prio Sys Key Prio Port St Res: Reserved AS: Actor (Act) System Hohe Priorität PS: Partner (Prt) System Len CMax Len Res Term Res Prioritätswert = n Cmax: Collector Max. Delay 16 Delay 0 0 St: State

Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 103 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme , Teil 1 – Ethernet, L.Stiegler , 104 5. Semester, Automation, 2015 Kursgliederung

• Einführung: Telekommunikationsprotokolle Industrielle Bussysteme : Internet • Internet Protokollschichten • IP Version 4 Dr. Leonhard Stiegler • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Automation • IP Adressierung, Subnetze • Übersicht : IP-Routing • IP Transportschichten: TCP und UDP • Internet Control Protocol ICMP www.dhbw-stuttgart.de

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 1 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 2 5. Semester, Automation, 2015

Definition: Kommunikationsprotokoll Kommunikation der Protokollschichten

Jede Protokollschicht besitzt einen Protokollheader, der die Funktionen Kommunikationsprotokolle spezifizieren : der Protokollschicht realisiert. Formate, Datentypen und Inhalte der Protokollnachrichten (PDUs) Jede Protokollschicht stellt ihren Header vor die Daten der darüber liegenden Schicht Protokollschichten, welche PDUs austauschen Eine Protokollnachricht der Schicht-N enthält alle darüber liegenden Zeitbedingungen für den PDU-Austausch Protokollschichten. Dienste, welche von unteren Schichten zur Verfügung gestellt werden PDU: Protocol Data Unit (Protokoll-Nachricht) Anwendung Protokoll-Zustände und die erlaubten Zustandsübergänge beschrieben durch Zustandsdiagramme Header Schicht N+2 Anwendungsdaten Fehlerbehandlung Header Schicht N+1 Nutzdaten der Schicht N+1 PDUs

Header Schicht-N Nutzdaten der Schicht-N

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 3 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 4 5. Semester, Automation, 2015 IETF Dokumente Kursgliederung

Request for Comments RFC: offizielle IETF Dokumente • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Experimental RFC: Versuchsstadium • Internet Protokollschichten Informal RFC: zur Information und Koordination • IP Version 4 Best Current Practice RFC: Implementierungs-Hinweise • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Standards Track RFC: offizielle Standards (Standard-Vorschläge, Draft standard) • IP Adressierung, Subnetze Internet Draft Documents (ID): nicht-offizielle Arbeits- papiere, • Übersicht : IP-Routing mögliche RFC-Vorläufer • IP Transportschichten: TCP und UDP • Internet Control Protocol ICMP

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 5 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 6 5. Semester, Automation, 2015

Internet-Protokollfamilie Verarbeitung von IP-Paketen : Sender

File Netz Transport der Daten erfolgt WWW Mail DNS Anwendung Transfer Mgmt Anwendung z.B. www.bahn.de lokal durch das Browser Betriebssystem Anwendungs- Name HTTP FTP SMTP SNMP protokolle Server Anwendungs protokoll TCP UDP HTTP Transportschicht (Transmission Control Protocol) (User Datagram Protocol) HTTP-Anfrage

IP TCP TCP- Header: Anwendungsadressen Internet-Schicht Routing und Control TCP Header Nutzdaten (Internet Protocol) WWW im Zielserver: Zielport = 80 Sender-Port = z.B. 32550

IP IP Header: Geräteadressen Ethernet IP Header Nutzdaten Untere Schichten ISDN ATM IP-Ziel: www.bahn.de (23.209.177.133) (Kapitel-1) IP-Quelle: z.B. 85.12.16.22

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 7 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 8 5. Semester, Automation, 2015 Verarbeitung von IP-Paketen : Empfänger Kursgliederung

Betriebssystem ermittelt die richtige Anwendung (Port-Nr) • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Anwendung z.B. Anwendungsprotokoll • Internet Protokollschichten Browser ermittelt das richtige Anzeige-Fenster (Port-Nr) • IP Version 4 • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Anwendungs protokoll HTTP • IP Adressierung, Subnetze

HTTP-Antwort • Übersicht : IP-Routing • IP Transportschichten: TCP und UDP TCP TCP- TCP TCP-Header: Anwendungsadressen • Internet Control Protocol ICMP Header Nutzdaten Sender-Port = 80 Zielport = 32550 IP IP- IP IP-Header: Geräteadressen Header Nutzdaten IP-Quelle: www.bahn.de (23.209.177.133)

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 9 IP-Ziel: z.B. 85.12.16.225. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 10 5. Semester, Automation, 2015

Internet Protokoll Schicht - IPv4 Header IP-Header Parameter (1)

0 8 DSCP 16 24 31 Feldname Länge [Bits] Bedeutung Ver HL TOS Total Length VER 4 IP Versionsnummer HL 4 Header Länge in 32-Bit Einheiten Identification Flags Fragment TOS 8 Type of Service TTL Protocol Checksum Bits 0-5: DSCP (Differentiated Services Code Point) Source Address Bits 6-7: ECN (Explicit Congestion Notification – IP-Flusskontrolle) Destination Address Total Length 16 Paketlänge in Bytes Options PAD Identification 16 Steuerung der Fragmentierung Flags 3 Bit 0 reserviert = 0Bit 0 Bit 1 DF Don't Fragment Nutzdaten der IP Schicht Bit 2 MF More Fragments Fragment 13 Fragment Offset DSCP: Differentiated Services Code Point

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 11 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 12 5. Semester, Automation, 2015 IP-Header Parameter (2) Kursgliederung

Feldname Länge [Bits] Bedeutung TTL 8 Time to Live : Lebensdauer in Anzahl der Hops • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Protocol 8 Protokollname der folgenden Schicht • Internet Protokollschichten Checksum 16 Header Prüfsumme • IP Version 4 Source 32 Sender-Adresse Address • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Destination 32 Ziel-Adresse • IP Adressierung, Subnetze Address • Übersicht : IP-Routing Options Max. 32 Zusatzinformation für Routing und Transport-Sicherheitsmethoden • IP Transportschichten: TCP und UDP PAD Variabel Füllbits zu 32 Bit • Internet Control Protocol ICMP Data Variabel Nutzdaten

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 13 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 14 5. Semester, Automation, 2015

MAC-Adressen und IP-Adressen MAC-Adressen und IP-Adressen : Forwarding und Routing MAC-Adressen sind vom Hersteller fest vorgegeben IP Netzelemente (Router)

1. MAC-Adresse Server 2. MAC-Adresse RJ45 Ethernet Modul WLAN-Modul

Lokal von PC zu PC, von PC Internet-Adresse zum Drucker, etc. gesamter-PC werden IP-Pakete in Host Ethernet-Rahmen transportiert Server

Internet Adressen werden zugeteilt IP Ende-zu-Ende Schicht-3 Mittels der Internet Adresse wird ein Gerät (Host) eindeutig adressiert MAC Abschnitt Abschnitt Abschnitt Schicht-2

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 15 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 16 5. Semester, Automation, 2015 IP - MAC Adressenzuordnung Adressierung im LAN

Die Kooperation zwischen Schicht-2 und Schicht-3 spielt MAC-Adresse Port-Nr Welches Gerät ist mit welchem Switch-Port verbunden? für die Kommunikation im Anschlussbereich eine entscheidende Rolle. MAC-Tabelle LAN-Switch uplink Anwendung Anwendungen/Dienste 1 2 3 4 5 6 10 20 24

Transport TCP / UDP MAC-Adresse

IP ICMP Internet Adresse ARP/RARP Router IP-Adresse Physische Verbindung Arbeitsplätze ! IP-Adressen sind meist bekannt. Schicht 1 und 2 und Datensicherung ! MAC-Adressen? (MAC-Adresse) Nutzdaten IP ETH Sender-IP – Empfänger-IP Sender-MAC – Empfänger-MAC Drahtgebunden z. B. Ethernet oder drahlos z.B. WLAN

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 17 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 18 5. Semester, Automation, 2015

Address Resolution Protocol – ARP Beispiel Aufgabe

• Analysieren Sie mittels Wireshark das Protokollverhalten Ihres PC kennt die IP-Adresse des Druckers (z.B. 192.168.1.12 aus der Raspberry PI sobald er mit dem WLAN Router verbunden ist. Drucker-Konfiguration) aber nicht dessen MAC-Adresse • Auf welche Weise wird die MAC-Adresse des Routers ermittelt? PC benötigt die MAC-Adresse des Druckers um diesen ein Ethernet-Paket schicken zu können

Wer hat die IP-Adresse: 192.168.1.12 ? ARP-Nachricht an alle MAC-Sender : PC MAC-Empfänger : alle Bits = 1

ARP-Antwort Drucker antwortet: MAC-Sender : Drucker MAC-Empfänger: PC Damit erhält dieser die MAC-Adresse des Druckers Druckdaten

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 19 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 20 5. Semester, Automation, 2015 Kursgliederung IP-Adressen Darstellung

Internet Adressen des IPv4-Protokolls sind 32-Bit lang. • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Sie werden in vier Teile a‘ 8 Bit zerlegt und als Dezimalzahlen angegeben

• Internet Protokollschichten Bit-31 / MSB Bit-0 / LSB • IP Version 4 Beispiel: 80.122.13.10 = 1000 0000 0111 1010 0000 1101 0000 1010 • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse dezimal 80 122 13 10 • IP Adressierung, Subnetze • Übersicht : IP-Routing Die Internetadresse wird in zwei logische Teile zerlegt: Der vordere Teil (höherwertige Bits) benennt das Netz, zu dem die • IP Transportschichten: TCP und UDP IP-Adresse angehört (Netz-Teil) • Internet Control Protocol ICMP Der hintere Teil (niederwertige Bits) adressiert alle Terminals (Hosts). Die Netzmaske legt die beiden Teile (Netz- und Host-Adresse) fest.

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 21 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 22 5. Semester, Automation, 2015

Adressklassen Subadressierung und Netzmasken • Subadressierung durch Maskierung = Trennung von Netz- und Host-Adressen IPv4 Adressen werden in Klassen und Spezialfunktionen eingeteilt. Die Klasseneinteilung geschieht je nach Größe der Netz- bzw. Host-Anteile. Klasse NETZ HOST Netzmaske Klasse-A: Prefix: 0 Bereich: 0.0.0.0 bis 127.0.0.0 A 11111111 00000000 00000000 255. 0. 0. 0 /8 8-bit Network (/8) 8-Bit Netz + 24-Bit Host 11111111 1 0000000 00000000 00000000 255.128. 0. 0 /9 11111111 11 000000 00000000 00000000 255.192. 0. 0 /10 Klasse-B: Prefix: 1 0 Bereich: 128.0.0.0 bis191.255.255.255 11111111 111 00000 00000000 00000000 255.224. 0. 0 /11 16-bit Network (/16) 16-Bit Netz + 16-Bit Host 11111111 1111 0000 00000000 00000000 255.240. 0. 0 /12 11111111 11111 000 00000000 00000000 255.248. 0. 0 /13 Klasse-C: Prefix: 1 1 0 Bereich: 192.0.0.0 bis 223.255.255.255 11111111 111111 00 00000000 00000000 255.252. 0. 0 /14 24-bit Network (/24) 24-Bit Netz + 8-Bit Host 11111111 1111111 0 00000000 00000000 255.254. 0. 0 B 11111111 11111111 00000000 00000000 Klasse-D: Prefix: 1 1 1 0 Bereich: 224.0.0.0 bis 239.255.255.255 Beispiel: IP-Adresse: 01010000 01111010 00011010 00001010 / 24 Adressierung von Host-Gruppen (Multicast) AND-Funktion: 11111111 11111111 11111111 00000000

Klasse-E: Prefix: 1 1 1 1 Bereich: 240.0.0.0 bis 255.255.255.255 Netz-Anteil: 01010000 01111010 00011010 00000000 reservierter Bereich Auswertung durch den Router Hostadressen

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 23 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 24 5. Semester, Automation, 2015 Subnetz-Berechnung Dimensionierung von Sub-Netzen 27 • Beispiel: Klasse-C Netz 11111111.111111111.11111111.111 00000 Variable Length Subnet Masking ist eine Methode, mit der Netz- Berechnungstabelle: Administratoren den verfügbaren Adressenraum in Subnetze von Bit- Wert 128 64 32 16 8 4 2 1 unterschiedlicher Größe einteilen können. URL: http://www.vlsm-calc.net/ geborgte Bits 1 2 3 4 5 6 7 8 Beispiel: Adressenberechnung für 6 Subnetze Maskenwert 128 192 224 240 248 252 255 256 Prefix /25 /26 /27 /28 /29 /30 Ergebnis: (Auszug) Max. Anzahl an Hosts 126 62 30 14 6 2 +1 (Broadcast) + 1(Netz)

• Beispiel: 192.168.10.40 /27 : Subnetz-Maske 255.255.255.224 3-Bits wurden vom Klasse-C Netz entnommen: 23 = 8 Subnetze 3-Bits entsprechend dem Bitwert 32 gehört zur Netzadresse: 192.168.10.32 gehört zur Broadcast-Adresse: 192.168.10.63 Nächstes Subnetz: 192.168.10.64

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 25 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 26 5. Semester, Automation, 2015

Private Internet-Adressenbereiche IP Adressenvergabe

Jeder Internet-Host benötigt für die Kommunikation eine eigene Internet- Nicht-öffentliche Adressenbereiche Adresse Die Vergabe dieser IP-Adresse erfolgt entweder - sind nicht eindeutige, mehrfach verwendbare Adressen automatisch (dynamisch) durch einen speziellen DHCP-Server oder - werden verwendet für effektive Verwendung des begrenzten - Adressraumes - statisch durch den Administrator - sind durch spezielle IETF-Standards definiert Die automatische / dynamische Adressenvergabe verwendet das Dynmanic Host Configuration Protocol - DHCP Als nicht-öffentliche Adressbereiche sind reserviert: Die DHCP-Funktion kann auch von einem Router ausgeführt werden - 10. 0. 0. 0 – 10.255.255.255 (/8) - 172.16. 0. 0 – 172. 31.255.255 (/12) - 192.168. 0. 0 – 192.168.255.255 (/16) DHCP-Server zur dynamischen Internet - 100. 64. 0. 0 – 100. 64. 255. 255 (/10) für Internet Service Provider Vergabe von IP-Adressen

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 27 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 28 5. Semester, Automation, 2015 Network Address Translation - NAT Kursgliederung

Routbare IP-Adresse vom ISP (z.B. 85.10.120.35) ISP: Internet Service Provider • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Öffentliches ISP DSL Internet Router IP-Adresse, • Internet Protokollschichten nach außen sichtbar: 85.10.120.35 • IP Version 4 externe Kommunikation Network Address Translation (NAT) • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse WLAN interne Router-Adresse: 192.168.1.1 • IP Adressierung, Subnetze • Übersicht : IP-Routing interne Kommunikation Nicht-routbare Adressen: • IP Transportschichten: TCP und UDP WLAN - Hosts (innen sichtbar) • Internet Control Protocol ICMP

192.168.1.23 192.168.1.20

192.168.1.22 192.168.1.21

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 29 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 30 5. Semester, Automation, 2015

Routing : Allgemeine Definition IP Routing einfache Realisierung Netzelemente: Router Grundlegender Prozess in allen Telekommunikations- Netzen Router-Port Switch-Ports Routing-Aufgaben werden vom Router durchgeführt Der Router LAN leitet Information von der Quelle zum Ziel D verwendet dafür spezielle Methoden, einschl. grafische Theorie C verwendet spezielle Routing-Protokolle A B wertet die Ziel-Adressen aus um den optimalen Pfad durch das Netz zu finden bewertet spezielle Kriterien (Metrik) für die Wege-Auswahl Schicht-2 Segmente behandelt Netzfehler bei der Weiterleitung von Informationen Ende-zu-Ende Schicht-3

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 31 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 32 5. Semester, Automation, 2015 Routing-Tabelle IP Routing - Prinzip

Netz Inhalt einer Routing-Tabelle Netz Netz 10.1.4.0 10.1.2.0 10.1.3.0 Zieladresse (erforderlich) : bestimmt das Zielnetz für den Router E1: 10.1.2.1 E0: 10.1.4.2 E0: E0: 10.1.3.2 S0: Netz 10.1.1.1 Router S0: 10.1.3.1 Zielführung (erforderlich) : markiert ein direkt verbundenes Netz oder 10.1.4.1 Router Netz 10.1.1.0 A einen Folge-Router (next-hop), welcher einen Schritt näher am Ziel Router C E0: 10.1.5.0 S0: 10.1.2.2 B 10.1.5.1 liegt Maske: S1: 10.1.4.1 Maske: Angabe über das Routingprotokoll 255.255.255.0 Maske: Routing Tabelle 255.255.255.0 255.255.255.0 Art des verbundenen Netzes oder Netzabschnitts, z.B. Ethernet, Router A: Routing Tabelle Routing Tabelle serial link, usw. Netz Next-Hop Router B: Router C: 10.1.1.0 direct Netz Next-Hop Netz Next-Hop Standard Route (default route indication) 10.1.2.0 direct 10.1.1.0 10.1.2.1 10.1.1.0 10.1.4.1 10.1.3.0 10.1.2.2 10.1.2.0 10.1.2.1 10.1.2.0 10.1.4.1 10.1.4.0 10.1.2.2 10.1.3.0 direct 10.1.3.0 10.1.4.1 10.1.5.0 10.1.2.2 10.1.4.0 10.1.4.2 10.1.4.0 direct Routing-Anzeige Kommando: netstat -i 10.1.5.0 10.1.4.2 10.1.5.0 direct

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 33 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 34 5. Semester, Automation, 2015

Routing Protokolle Routing Methode: Hierarchisches Routing

wird bei großen Netzen verwendet Routing Prozeduren dienen Routing-Aufwände nehmen mit der Netzgröße zu: proportional zur dem Austausch von Erreichbarkeits-Informationen zwischen Routern Anzahl der Knoten der Erstellung einer Routing-Tabelle Behandlung von Routing-Tabellen : langsam und umständlich in sehr der Berücksichtigung von Netz-Topologie-Änderungen in der Routing- großen Netzen Tabelle Konsequenz : Strukturieren von Netzen in mehrere untereinander der Bewertung von empfangener Erreichbarkeits-Information verbundene Domänen (z.B. Autonomous Systems AS im Internet) der Bestimmung optimaler Routes basierend auf der Hierarchisches Routing : intra-domain und inter-domain Erreichbarkeitsinformation Verschieden Protokolle : Interior Gateway Protocols IGP (intra- domain) und Exterior Gateway Protocols EGP (inter-domain)

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 35 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 36 5. Semester, Automation, 2015 Routing Methode: Statisches Routing Routing Methode: Dynamisches Routing

Charakteristika und Optionen Charakteristika und Optionen Automatische Generierung von Routing-Tabellen bei der Inbetriebnahme des Netzes. Definition und Bildung einer Routing-Tabelle für jeden Router im Netz Austausch von Erreichbarkeits-Information zwischen den Routern der Manuelle Eingaben fester Leitwege durch den Operator angeschlossenen Netze Exakte Kontrolle und Voraussage von Paket-Laufwegen Verwendung spezieller Routing-Protokolle, welche den Neu-Definition und manuelle Eingabe bei Konfigurationsänderung Informationsaustausch regeln Summen (summary) Routes für die Bearbeitung spezifischer Verbreitung spezifischer Algorithmen zur Berechnung der optimalen Adressen in der Routing-Tabelle : Definition von Adressmasken Pfade durch das Netz und Generierung der Routing-Tabellen Flexible, dynamische Anpassung der Routing-Tabellen auch bei Netz- Topologieänderungen.

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 37 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 38 5. Semester, Automation, 2015

Metrik zur Routen-Bewertung Kursgliederung

Aufgabe einer Metrik

Es existieren i.a. mehrere alternativ-Routen zwischen Quelle und Ziel • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Aufgabe: Erkennen der am besten geeigneten Route unter • Internet Protokollschichten verschieden Alternativen • IP Version 4 Definition einer Metrik als Maß für die optimale Eignung einer Route • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Eine oder mehrere Metriken werden ausgewählt für spezielle • IP Adressierung, Subnetze Routing-Protokolle • Übersicht : IP-Routing Wichtige Metriken für dynamisches Routing: • IP Transportschichten: TCP und UDP - hop count - Bandbreiten-Bedarf • Internet Control Protocol ICMP - Verkehr - Paket-Verzögerung - Zuverlässigkeit (z.B. Fehlerrate) - Kosten

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 39 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 40 5. Semester, Automation, 2015 Transportschicht - TCP und UDP Transmission Control Protocol TCP

RFC 793 0 8 16 24 31

Source Port Destination Port Die IP-Protokoll-Architektur bietet auf der Transport-Ebene zwei Sequence Number grundsätzliche Transport-Verfahren Acknowledge Number Das TCP - Transmission Control Protocol unterstützt den Off Resv Flags Window Size verbindungsorientierten und gesicherten Transport von Daten Checksum Urgent Pointer Das UDP - User Datagram Protocol unterstützt den verbindungslosen und ungesicherten Transport von Daten Options Padding

Nutzdaten der Transportschicht

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 41 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 42 5. Semester, Automation, 2015

Transport-Adresse (Port) Standard Anwendungen aktive Anwendungen In einer UNIX-Umgebung werden die verfügbaren Standard-Anwendungen in der Datei: etc/services aufgelistet:

Schicht 4 Auftrag File Transfer E-Mail WWW Anwendung ftp-data 20/udp/tcp # File Transfer [Default Data] Adressen Port#1 Port#2 Port#3 Port#4 ftp 21/udp/tcp # File Transfer [Control] ssh 22/udp/tcp # SSH Remote Login Protocol telnet 23/udp/tcp # Telnet smtp 25/udp/tcp # Simple Mail Transfer tftp 69/udp/tcp # Trivial File Transfer www 80/tcp #www, http Layer 3 IP-Adresse Transport Transport pop3 110/udp/tcp # Post Office Protocol - Version 3 Layer 2 MAC-Adresse ntp 123/udp/tcp # Network Time Protocol snmp 161/udp/tcp # SNMP snmptrap 162/udp/tcp # SNMPTRAP Layer 1 Medium ldap 389/udp/tcp # Lightweight Directory Access Protocol ….. Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 43 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 44 5. Semester, Automation, 2015 TCP Signalisierung Flusskontrolle / Blockierungs-Kontrolle

Client Server 1. Der Empfänger bestimmt die Quittungs-Fenstergröße des Senders W = 0 Seq.# SYN, seq = n W = 0 W = 0 SYN, seq = m, ACK = n+1 Verbindungs- Zeit ACK = m+1 aufbau W = 4096 W = 4096 W = 4096

2. Paketverlust: Verbindung aufgebaut Daten- Bandbreite Paketverlust austausch mitgeteiltes Empfangsfenster Packetverlust FIN, seq = n FIN, seq = m, ACK = n+1 Verbindungs- ACK = m+1 abbau Slow start Zeit Slow start Grenzwert Vermeidung von Blockierungen (Congestion avoidance)

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 45 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 46 5. Semester, Automation, 2015

User Datagram Protocol UDP Kursgliederung

0 8 16 24 32 RFC 768 • Einführung: Telekommunikationsprotokolle Source Port Destination Port • Internet Protokollschichten Checksum UDP Length • IP Version 4 • Beziehung : MAC-Adresse – IP-Adresse Nutzdaten der Transportschicht • IP Adressierung, Subnetze • Übersicht : IP-Routing Verbindungslose Kommunikation • IP Transportschichten: TCP und UDP • Internet Control Protocol ICMP Ungesicherter Datentransport Keine Fehlererbehebung bei fehlerhaften Daten Für Echtzeitverbindungen geeignet

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 47 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 48 5. Semester, Automation, 2015 ICMP - Internet Control Message Protocol ICMP Nachrichten

ICMP ist ein integraler Bestandteil des Internet Protokolls, und muss in Name der Nachricht Nr jedem IP-Modul implementiert sein. ICMP Protocol-Id = 1 Destination Unreachable 3 ICMP Nachrichten zeigen Protokollfehler bei der Verarbeitung von IP- Time exceeded (TTL-Fehler) 11 Paketen an. Parameter Problem 12 ICMP Nachrichten werden in verschiedenen Umständen generiert: Source Quench 4 Redirect 5 wenn ein Paket sein Ziel nicht erreichen kann, - Echo (z.B. ping) 8 - wenn ein Netzknoten nicht genug Speicherkapazität besitzt, um ein Echo Reply (z.B. ping) 0 Paket weiterzuleiten Timestamp 13 Timestamp Reply 14 - usw… Information Request 15 Information Reply 16

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 49 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 50 5. Semester, Automation, 2015

ICMP Header Beispiel

Nachrichtenname: Destination unreachable (3):

0 8 16 24 32 Industrielle Bussysteme : Übersicht Source Address Destination Address Dr. Leonhard Stiegler Type Code Checksum Automation

unused

IP Header + 64 Bytes of packet data www.dhbw-stuttgart.de

Industrielle Bussysteme Teil 2 – IP, L. Stiegler 51 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 1 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Vernetzte verteilte Automatisierung

Übersicht über industrielle Bussysteme ! Kontinuierlichen Wandel der Automatisierungstechnik • Konfiguration und Architektur durch kürzere Innovationszyklen bei neuen Produkten

• Anforderungen und Standards ! Feldbustechnologie als Schlüsseltechnologie ermöglicht • Implementierungen die Migration von zentralen zu dezentralen

• Parameter und Vergleich Automatisierungs-systemen.

! Ethernet und Informationstechnologie (IT) mit Internet Standards wie z.B. TCP/IP und XML gewinnen zunehmend an Einfluss

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 2 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 3 5. Semester, Automation, 2015

Feldbus: Prinzip Fertigungsautomatisierung:Ebenen

! Verbindung vieler Stationen unterschiedlicher Art mit Ebene : Unternehmensplanung und Logistik ERP: Enterprise Resource Planning einem Steuergerät in einem einheitlichen Netz Ebene : Fertigungsplanung ! Implementierung bedarfsgerechter Netz-Topologien: MES: Manufacturing Executive System Ebene : Prozessleitsystem Stern, Bus, Ring, Baum und Mischstrukturen SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition ! Ersetzen aufwändiger Parallelverdrahtung zu jedem Ebene : Fertigungssteuerung SPS: Speicherprogrammierte Steuerung einzelnen Gerät Ebene : Feldbus-Verbindungen ! Einbinden in den Kontext umfassender Lösungen der z.B. Modbus, Ethernet/IP, EtherCAT, Profinet SteuerungLeitung- Planung- Ebene : gesteuerte Geräte im Feld Automatisierung Sensoren, Aktoren, Motoren, usw. DatenerfassungInformationsauswertung-

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 4 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 5 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Feldbus: Anforderungen (1)

Übersicht über industrielle Bussysteme Grundlegende Kriterien für Feldbus-Systeme

• Konfiguration und Architektur ! Kurze Zykluszeiten durch hohe Übertragungs-

• Anforderungen und Standards Geschwindigkeit und schnelle Verarbeitung

• Implementierungen ! Exakte zeitliche Synchronisation der Feldbus-Stationen

• Parameter und Vergleich ! Hoher Datendurchsatz

! Sicherheit der übermittelten Prozessdaten ! Kosten für Entwicklung, Implementierung und Pflege

! Offene Standards bevorzugt vor Firmenlösung

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 6 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 7 5. Semester, Automation, 2015

Anforderungen im industriellen Einsatz Feldbus: Anforderungen (2)

n Sensor Kriterien für Feldbus-Netze Deterministische Schwelle Bus ! Große Anzahl von Stationen und flexible Topologie des Netzes Laufzeitschwankung (Jitter) ! Redundanz im Netzaufbau Antwortzeiten: Controller < 1 ms: Antriebssteuerung ! Einbindung in die gesamte Fertigungsautomatisierung 10 ms: Geräte, Anlagen 100 ms: Controller mit Bus Bedienterminals (HMI) ! Einsatz marktgängiger Komponenten (Kabel, Stecker, Router, Aktuator Switches, Controller, usw.) Mittelwert t ! Unterstützung von Internet-Protokollen (IP, TCP, UDP) Echtzeit = definierte Antwortzeiten, Jitter und Paketverlust Hohe Systemverfügbarkeit mit hinreichend kurzen Umschaltzeiten

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 8 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 9 5. Semester, Automation, 2015 Vorfahrt für Prozessdaten Standard IEC 61158

Verkehrsklassen mit Priorisierung (Quality of Service) ! Standardisierung von Feldbus-Systemen durch die International Warteschlangen Senator (Priority Queues) Electrotechnical Commission in “IEC 61158 – Fieldbus for use in

Business industrial Control Systems” Port Last Minute 3 Economy ! Part 1: Overview and Guidance for the IEC 61158 series 1 Economy 2 Business ! Part 2: Physical layer specification and service definition Last Minute Senator Switch Route Table ! Part 3: Data link service definition ! Part 4: Data link protocol specification Überschaubarer Verkehr bei Prozessdaten (Menge, Zyklus) Interferenz mit Verkehr niedriger Klassen ist unvermeidlich, jedoch ! Part 5: Application layer service definition planbar (abhängig von maximaler Paketlänge, Übertragungsrate und ! Part 6: Application layer protocol specification Netztopologie)

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 10 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 11 5. Semester, Automation, 2015

Orchestrierung – Deterministischer Bus Eingebetteter Kanal

Zeitmultiplex zwischen Prozessdaten als gemeinsames Telegramm im Datenbereich Prozessdaten und allen anderen Daten Daten Header Eingebetteter Kanal Header Bus-Master Bus-Master organisiert die Kommunikation der Prozessdaten zwischen Regulärer Switch mit Switch Slaves Sendern und Empfängern. Austausch der Prozessdaten im deterministic asynch deterministic asynch deterministic asynch deterministic asynch I/O Bus (Ethernet oder Datenbereich vor sonstiger Bus) dem weiterleiten der Nachricht Reguläre Ethernet Frames Master … Standard Ethernet Rahmen Start R1 R2 … RN End Start Topologie: Verkettung aller Teilnehmer in einem Busabschnitt, ein Slaves S1 S2 SN Acyclic Telegramm für alle anstelle einzelner Nachrichten 1 Zyklus Austausch der Prozessdaten beim weiterleiten des Ethernet Rahmens (erfordert spezielle Hardware für alle Teilnehmer)

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 12 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 13 5. Semester, Automation, 2015 Redundanz Beispiel : Elektrische Schaltanlagen

Sternförmige Reserve Verbindung … Verkabelung ist nicht (Ring Protection Link) RPL praktikabel, lineare Owner RPL Topologie Ring mit Reserve- verbindung (Ring Ringredundanz Protection Link), die bei Protokolle: HSR, MRP Verlust einer Verbindung aktiviert wird Überwachung des Doppelring mit Doppelstern Betriebs durch Ausgefallene Verbindung Parallel Redundancy Protocol (PRP) Redundanz-Manager (RPL-Owner)

Umschaltung auf die HSR: High-Availbility Seamless Redundancy neue Topologie im MRP: Media Redundancy Protocol

Fehlerfall unter 500 ms Quelle: ABB

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 14 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 15 5. Semester, Automation, 2015

Netztopologien Inhalt

Stationsleitgerät Fernwirken (Wide Area Network, IP/Ethernet): Übersicht über industrielle Bussysteme COM WAN Redundante Verbindungen COM COM • Konfiguration und Architektur COM Doppelstern Doppelring • Anforderungen und Standards Stationsleitgerät Stationsleitgerät

LAN • Implementierungen COM Lokales Netz (Local Area RTU COM Network, Ethernet): LAN • Parameter und Vergleich RTU COM COM einfache und redundante Verbindungen COM COM RTU Feldleitgerät/Regler Baumstruktur Ringstruktur COM Schutz RTU RTU: Remote Terminal Unit, abgesetzte Einheit COM: Switch bzw. Router

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 16 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 17 5. Semester, Automation, 2015 Ethernet-Feldbus-Systeme Problem der Implementierung

Wesentliche Ethernet-basierte Feldbus-Systeme Ethernet-basierte Feldbus-Systeme : Problem

! Modbus/TCP ! Standard-Ethernet und UDP/TCP/IP in Hardware und Software:

! EtherNet/IP Güteanforderungen anspruchsvoller Anwendungen der Automatisierung nicht erfüllbar ! EthetCAT ! Option: spezielle Hardware, insbesondere Controller ! PROFINET IO ! Option: spezielle Protokolle und Kommunikations-Software ! Sercos III ! Option: besondere Maßnahmen zur Sicherung der Dienstgüte (QoS ! Powerlink – Quality of Service), z.B. DiffServ, Priorisierung ! CC-Link IE

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 18 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 19 5. Semester, Automation, 2015

Einsatz: Bewegungsregelung Inhalt

Bewegungsregelung durch Feldbus-Systeme Übersicht über industrielle Bussysteme

! Bewegungsregelung („Motion Control“) als wesentlicher Einsatzfall in • Konfiguration und Architektur der Automatisierung • Anforderungen und Standards ! Steuerung der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Servomotoren • Implementierungen

! Einsatzbeispiele: Roboter, Verpackung, Positionierung, • Parameter und Vergleich

Baugruppenfertigung ! Hohe Anforderung an die Synchronisation der Stationen

! Schnelle Übermittlung der Daten zwischen Stationen

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 20 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 21 5. Semester, Automation, 2015 Vergleich: “Stack Time” Vergleich: Feldbus-Performance

Stack Time: Verarbeitungsdauer in der Feldbus-Station vom Interrupt Kriterium Zyklusdauer Synchronisation Datendurchsatz beim Empfang des Ethernet-Rahmens bis zur Bereitstellung der Prozessdaten an der Schnittstelle zur Anwendung EtherCAT ++ ++ 0 Modbus/TCP - - - - ++ Stack Time EtherNet/IP PROFINET IO EtherCAT EtherNet/IP - - - - / + (1) ++

Durchschnitt 1,8873 ms 0,5788 ms 0,1143 ms PROFINET RT - - - ++ PROFINET IRT + + + Maximalwert 2,9571 ms 0,7391 ms 0,1821 ms Powerlink 0 - / 0 (2) 0 (3) CC-Link IE 0 + - - Minimalwert 1,2332 ms 0,5394 ms 0,0474 ms Sercos III + + -

Quelle: Softing GmbH, München, 2010. Quelle: EtherCAT Technology Group ITG.

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 22 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 23 5. Semester, Automation, 2015

Feldbus: Wertung Zusammenfassung

Ethernet hat eine beispiellose Erfolgsgeschichte, nicht zuletzt wegen seines evolutionären Ansatzes. ! Modbus/TCP und EtherCAT als führende Lösungen für Ethernet ist als Feldbus zunehmen im Einsatz Feldbus-Systeme durch Leistungsfähigkeit, Hersteller- - Profinet, Ethercat, Ethernet Powerlink, Ethernet/IP, Sercos III, … Unterstützung, Marktakzeptanz und Stabilität - AFDX (Avionik), TCN (Bahnfahrzeuge), elektrische Schaltanlagen (IEC61850, MRP, HRS, PRP), … ! Vorteile für EtherCAT bei hohen Anforderungen an Anforderungen im industriellen Einsatz Zyklusdauer, Synchronisation und Sicherheit - Echtzeit = definierte Antwortzeiten ! EtherNet/IP und die Varianten von ProfiNet ebenfalls noch - Verfügbarkeit (Redundanz für den Fehlerfall) zu beachten - Die Anforderungen sind auf evolutionäre oder proprietäre Weise erfüllbar. ! Untergeordnete Bedeutung anderer Feldbus-Lösungen Anforderungen auf Systemebene - Funktionale Sicherheit (Protokolle auf Anwendungsebene) - Schutz der Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität.

Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 24 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme, Teil 3 – Feldbusse, L. Stiegler 25 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt

• Raspberry PI • Netzwerk-Diagnose Industrielle Bussysteme : Labor – Kommandos – Analyse-Software Wireshark Dr. Leonhard Stiegler – Wireshark Protokollanalyse Automation • SSP-Steuerung mit Codesys • Ethernet basierte Bussysteme – Modbus/TCP – EtherCAT

www.dhbw-stuttgart.de – Ethernet/IP

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 1 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 2 5. Semester, Automation, 2015

Laboraufbau : Raspberry PI Test und Diagnose Tools: ipconfig / ifconfig

Raspberry PI ! IP Verbindungsanalyse (Connectivity) Zeigt die eigene IP- und MAC-Adresse an – Einplatinen-Rechner mit Kommunikations- und Funktions- Windows: ipconfig (im DOS-Fenster) Linux/Mac: ifconfig Schnittstellen – ARM Prozessor ! Beispiel: – OS: Debian Linux Derivat auf 8GB Typ10 SD-Speicherkarte Ethernetadapter LAN-Verbindung 3: Verbindungspezifisches DNS-Suffix: Speedport_W_700V – Kommunikationsschnittstellen Beschreibung...... : Ethernetadapter der AMD-PCNET-Familie #2 • RJ45 Ethernet, USB, HDMI, Video-Out Physikalische Adresse ...... : 08-00-27-35-47-D6 – Funktionsschnittstellen DHCP aktiviert...... : Ja Autokonfiguration aktiviert . . . : Ja • General-Purpose I/O (GPIO) IP-Adresse...... : 192.168.2.102 2 für das I C - Modul Adafruit 16-Kanal Servo Driver PWM Subnetzmaske...... : 255.255.255.0 SPS-Laufzeitsystem : Codesys Control Standardgateway ...... : 192.168.2.1 DHCP-Server ...... : 192.168.2.1 – wird beim Hochfahren des Betriebssystems gestartet DNS-Server...... : 192.168.2.1 – Zeitlimit: 2 Std. Lease erhalten...... : Freitag, 6. September 2013 16:16:04 Lease läuft ab...... : Dienstag, 10. September 2013 16:16:04

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 3 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 4 5. Semester, Automation, 2015 Test und Diagnose Tools: Netstat Protokollanalyse mit Wireshark : Startmenü

• IP Verbindungsanalyse (Connectivity) Hauptmenü – Zeigt die aktiven Verbindungen (Windows: im CMD-Fenster: netstat) Toolbar • Beispiel Filter Liste der Aktive Verbindungen Schnittstellen Proto Lokale Adresse Remoteadresse Status TCP vm-win:1201 localhost:44080 HERGESTELLT Schnittstellen- TCP vm-win:1203 localhost:44080 HERGESTELLT Auswahl TCP vm-win:1205 localhost:44080 SCHLIESSEN_WARTEN Benutzerhandbuch TCP vm-win:1214 localhost:44080 HERGESTELLT Trace - Sicherheitsaspekte TCP vm-win:44080 localhost:1201 HERGESTELLT Dateien TCP vm-win:44080 localhost:1203 HERGESTELLT Trace - TCP vm-win:44080 localhost:1205 FIN_WARTEN_2 Beispiele TCP vm-win:44080 localhost:1214 HERGESTELLT TCP vm-win:1202 95.100.97.67:http HERGESTELLT TCP vm-win:1204 62.159.74.11:http HERGESTELLT TCP vm-win:1215 62.156.238.46:http HERGESTELLT Hilfe

Statuszeile

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 5 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 6 5. Semester, Automation, 2015

Wireshark :Toolbar Wireshark Bildschirmbereiche Cursor bewegen: Interface Auswahl Aktuelle Trace Datei Menü und Funktionsauswahl noch einmal öffnen Rückwärts Filter

Optionen Auswahl Drucken Dialog Vorwärts Auswahl-Cursor START Trace Springen zu Suchen Dialog

Zum 1. Paket STOP Trace Nachrichten-Liste Capture Filter Dialog Protokollschichten STOP+Restart Trace Display Filter Dialog Zum letzten Paket Fenster für die Datei öffnen Ausgabe vergrößern Einstellungen Dialog Detail-Darstellung der einzelnen Ausgabe verkleinern Hexadezimal- Datei speichern Farb-Einstellungen Darstellung (Hex-Dump) Protokollschichten Originalgröße Datei schließen Hilfe Fußzeile

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 7 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 8 5. Semester, Automation, 2015

Datei öffnen Filter-Arten Protokoll-Filter Direkteingabe

• Capture Filter: Filter = arp – Hauptmenü – Capture – Capture Filters … Nur ARP-Nachrichten – Aufnahme-Filter werden angezeigt Datenmenge wird bei der Aufnahme Anzeige aller ARP-Protokollnachrichten gefiltert Dekodierung der • Display Filter: ausgewählten Nachricht – Hauptmenü – Analyze – Display Filters … – Anzeige-Filter Datenmenge wird bei der Wiedergabe gefiltert ARP: Address Resolution Protocol

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 9 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 10 5. Semester, Automation, 2015

Manuelle Protokoll-Filter Definition Automatische Protokoll-Filter Definition

Filter löschen Filter speichern Display-Filter Definition Nachricht markieren, Kontext-Menü (rMaus)

Filter anwenden Display Filter Wert-Eingabe Filter Definition Filtermenü

Operation

Protokoll-Parameter Auswahl

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 11 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 12 5. Semester, Automation, 2015

Datei öffnen Statistik-Menü (1) Statistik-Menü (2)

BAC: Building Automation and Control HART-IP: Highway Addressable Remote Transducer over IP Hauptmenü Fortsetzung: ONC-RPC: RFC 1831 Network File System (NFS) - Protokoll Zusammenfassung der Trace-Daten Trace-Daten: Protokollstatistik Paketzähler und Filter Vergleich von Capture-Dateien Kommunikations-Statistik Flussdiagramm erzeugen Adressen-Statistik HART-IP Statistik Statistik: Paket-Länge Statistik: Paket-Zähler, Requests, Lastverteiluung Statistik: Zeitverteilung Statistik: IP-Adressenverteilung Liste der Verbindungen IP-Adressen, Transportschicht und Portnummer Liste der Adressen-Endpunkte Liste der Transportverbindungen Liste der Antwortzeiten Liste der ONC-RPC Applikationen Anzahl Nachrichten mit gleichem Zeitstempel Access Node Control Protocol Statistik TCP-Nachrichtentransport Statistik BAC-Network Statistik Liste der UDP-Multicast Streams Bootstrap-Protocol und DHCP Statistik WLAN - Verkehrsdaten

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 13 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 14 5. Semester, Automation, 2015

Statistik-Beispiel: Lastverteilung Statistik-Beispiel: Adressen- und Protokolle

Diese Darstellung Adressen-Verteilung der Pakete zeigt die Zeit-Verteilung der Pakete

Statistik der Transportprotokolle

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 15 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 16 5. Semester, Automation, 2015 Aufgaben : Protokollanalyse Ethernet / Internet Analyse

• Router - Statusabfrage mittels Web-Server – LAN-Status des WLAN-Routers (Management-Funktion) Raspberry Pi – Liste der angeschlossenen Geräte -> MAC-Tabelle • DHCP Client – Liste der zugelassenen Endgeräte -> NAL Network Access List • Wireshark • Ethernet – Analyse des Ethernet Headers mittels Wireshark • Internet WLAN IP - Kommunikation Accesspoint – Analyse des IP-Headers: Headerparameter • DHCP Server – Analyse der IP-Adressenvergabeprozedur : DHCP PC mit Codesys-Steuerprogramm – Analyse der Trace-Route – Funktion : Windows: tracert • DHCP Client Linux: • Wireshark, Analyse-Tools – Analyse der Ping – Funktion • Koordination der MAC- und IP-Adressen : ARP Protokoll – Aufnahme und Analyse einer ARP-Prozedur

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 17 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 18 5. Semester, Automation, 2015

Feldbus-Analyse Codesys Control Software

VMotor

Raspberry Pi Raspberry Pi Raspberry Pi GPIO Motorsteuerung I2C PWM- Master Slave • Codesys WLAN Kommunikation Modul • Wireshark • Wireshark MotionControl • I2C-Treiber Adafruit

• Laden der Steuerungssoftware Programm in die WLAN TCP/IP Steuerung laden Servo-Motor Accesspoint • Anzeige der Zustände + Daten • DHCP Server Management-Funktion PC mit Codesys-Steuerprogramm Codesys Control Software • PWM-Programm: • Bus-Konfiguration Version 3.5 SP5 Motorsteuerung • Ablaufsteuerung • Kommunikations-Steuerung • Visualisierung

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 19 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 20 5. Semester, Automation, 2015 Raspberry – I2C – Adafruit Verdrahtung Raspberry I2C - Treiber

• Für die Steuerung eines Servo-Motors wird das I2C-Interface des Raspberry Pi verwendet. • Verdrahtung: Raspberry PI mit derAdafruit 16-Kanal Servo Baugruppe • Die Python I2C-Bibliothek enthält auch eine Testfunktion für die I2C- Schnittstelle : i2cdetect –y 1

Schnittstelle ist aktiv

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 21 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 22 5. Semester, Automation, 2015

Codesys Control Software : Modbus TCP Codesys GUI : Modbus Übersicht Menüzeile Toolbar Modbus TCP Feldbus Raspberry Pi + Codesys Control • Slave Funktion Objektauswahl Funktion = Modbus TCP Slave Raspi Slave

Modbus TCP Daten

Raspberry Pi + Codesys Control • Master-Funktion Funktion = Modbus TCP Master

TCP/IP Management-Funktion Raspi Master Objekt-Detailfenster • Feldbus-Konfiguration Codesys Control Software • Kommunikations-Steuerung Version 3.5 SP5 • Feldbus Programm Beispiel: Zähler Objektauswahlfenster

Statuszeile

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 23 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 24 5. Semester, Automation, 2015 Codesys GUI : Modbus E/A - Mapping Codesys GUI : Modbus Slave Adressierung

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 25 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 26 5. Semester, Automation, 2015

Codesys GUI : Programmobjekte Codesys Control Software : ErtherCAT

Feldbus Umgebung WAGO 750-635 EtherCAT Slave • Slave Funktion + Klemmen Auswahl der Programmierungssprache

EtherCAT

Raspberry Pi + Codesys Control • Master-Funktion EtherCAT Master Programm in die TCP/IP Steuerung laden Management-Funktion Codesys Control Software • Feldbus-Konfiguration Version 3.5 SP5 • Kommunikations-Steuerung • Feldbus Programm Beispiel: Zähler

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 27 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 28 5. Semester, Automation, 2015 Codesys GUI : EtherCAT Übersicht Codesys GUI : EtherCAT Master – Slave Adressierung

EtherCAT Master EtherCAT Master-MAC-Adresse

EtherCAT Slave

EtherCAT Module

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 29 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 30 5. Semester, Automation, 2015

EtherCAT Konfiguration Aufgabe : Servosteuerung mittels PWM- Modul • Aufbau der auf Seite 3 dargestellten Konfiguration.

USB-to-Ethernet • Weshalb benötigen wir eine zweite LAN-Schnittstelle ? • Steuerung eines Servo-Motors mittels definierter PWM-Parameter WAGO Servo WAGO DO WAGO WAGO DI Raspberry • Programmierung einer Visualisierung der Motor-Drehbewegung mittels ECAT Codesys Funktionen Slave

Ethernet Codesys Programmierung DHCP Router/Switch

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 31 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 32 5. Semester, Automation, 2015 Aufgabe : Modbus TCP Aufgabe : EtherCAT

• Ansteuerung des Servo-Motors über Modbus TCP VMotor Ansteuerung der WAGO 750-635 Klemmen:

GPIO WAGO 750-635 Raspberry Pi + Codesys Control I2C PWM- • Data-In EtherCAT Slave Modul Funktion = Modbus TCP Slave + Klemmen Adafruit • Data-Out Modbus TCP Daten • Motorsteuerung EtherCAT zur Motorsteuerung Raspberry Pi + Codesys Control Raspberry Pi + Codesys Control Funktion = Modbus TCP Master Servo-Motor Modbus / EtherCAT Master Programm in die Programm in die TCP/IP TCP/IP Steuerung laden Steuerung laden Codesys Control Software Codesys Control Software Version 3.5 SP5 Version 3.5 SP5 PWM-Programm: Motorsteuerung

Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 33 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 4- Labor, L. Stiegler 34 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt

Modbus/TCP Industrielle Bussysteme : Modbus/TCP • Grundsätze und Versionen • Protokollbeschreibung

Dr. Leonhard Stiegler • Datenmodell und Datencodierung Automation • Adressierung und Transaktionen

• Function Codes

www.dhbw-stuttgart.de

2 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Modbus : Definition Modbus : Standardisierung

Grundlegende Merkmale Erste Definition

! Protokoll für Modicon Programmable Logic Controller PLC ! Modbus Messaging-Protokoll auf der Anwendungsschicht ! Verfügbar seit 1979 ! Modbus/TCP: Übertragung über TCP-IP-Ethernet ! Entwicklung durch Schneider Electric ! Client-Server-Kommunikation Weiterentwicklung und Pflege

! Unterstützung unterschiedlicher Bus- und Netz-Topologien ! Modbus Organization seit 2004

! De-Facto-Standard in der industriellen Automation ! Vereinigung von Modbus-Nutzern und -Herstellern

! Einsatz seit 1979

3 4 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Modbus : Übertragungsvarianten Modbus : Variantenübersicht

Modbus/TCP Modbus-Anwendungsschicht ! Übermittlung : TCP/IP über Ethernet Modbus/TCP Asynchrone serielle Übertragung

! Nutzung unterschiedlicher Medien TCP

! drahtgebunden: EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A IP Modbus Plus Modbus Plus / HDLC Seriell – Master / Slave Ethernet II ! eigenständiges Protokoll für Token-Passing-Netze EIA/TIA-232 oder EIA/ Physikalische Schicht Physikalische Schicht TIA-485

5 6 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Modbus : PDU und ADU

Modbus/TCP Application Data Unit (ADU)

• Grundsätze und Versionen MBAP Header (Adressen) Function Code Daten Fehlersicherung • Protokollbeschreibung Protocol Data Unit (PDU) • Datenmodell und Datencodierung

• Adressierung und Transaktionen PDU: unabhängig von den genutzten Protokollschichten • Function Codes ADU: Anpassung an die genutzten Protokollschichten Function Code (1 Byte): Definition der auszuführenden Aktion

7 8 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Modbus Rollen Modbus AP Header

• Modbus Client Application Protocol Header Parameter – ermöglicht die Komunikation mit einem Remote Device – erzeugt Modbus Request-Nachrichten gesteuert durch die Anwendung – überträgt Modbus Request-Nachrichten an das Modbus Client Interface • Modbus Server – Wartet auf Modbus Request-Nachrichten (TCP-Port 502) – Liest und verarbeitet Modbus Request-Nachrichten – erzeugt Modbus Response-Nachrichten • Modbus User Application (Backend) Interface – Schnittstelle zwischen Server und User Application

Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 9 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 10 5. Semester, Automation, 2015 Modbus Kommunikation Client-Server Kommunikation 1

Schema der fehlerfreien Client-Server-Kommunikation

PLC Drive HMI PLC I/O I/O Client Server

Initiate request Perform action Function Code Data request Modbus TCP/IP Gateway Initiate response Modbus RS232 PLC I/O PLC

I/O Function Code Data response

Drive Receive response

12 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 11 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Client-Server Kommunikation 2 Modbus : Typen von PDUs

Schema der fehlerhaften Client-Server-Kommunikation Modbus Request PDU

Client Server ! mb_req_pdu = {function_code, request_data}

Initiate request Modbus Response PDU Detect error in action Function Code Data Request ! mb_rsp_pdu = {function_code, response_data}

Modbus Exception Response PDU Initiate exception response ! mb_excep_rsp_pdu = {exception-function_code, request_data}

Exception Function Code Exception Code Receive exception response

13 14 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Länge von ADUs und PDUs Inhalt

Längenbegrenzung für Modbus ADUs und PDUs Modbus/TCP

! ADU : bestimmt durch erste RS-485-Implementierung • Grundsätze und Versionen ! RS-485-ADU : maximal 256 Byte • Protokollbeschreibung ! damit Modbus-PDU : max. 253 Byte : 256 Byte – 1 Byte Server- • Datenmodell und Datencodierung Adresse – 2 Byte CRC-Fehlersicherung

! Modbus/TCP-PDU : max. 260 Byte : 253 Byte PDU + 6 Byte MBAP • Adressierung und Transaktionen (ModBus Application Protocol) • Function Codes

15 16 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Primäre Tabellen Implementierung der Tabellen

Modbus Datenformate Speichern der Tabellen im Arbeitsspeicher der Modbus-Geräte

! Zugriff mit Umsetzung der logischen Modbus-Referenzen auf Adressen Name Größe Zugangsart veränderbar durch des Arbeitsspeichers

Discrete Input 1 Bit Read Only Management ! Auswahl aus maximal 65 536 Daten pro Tabellenart Bedarfsgerechte Speicherorganisation im Modbus-Gerät Coils 1 Bit Read-Write Application ! Option : getrennte Speicherbereiche pro Tabellenart

Input Registers 16 Bit Read Only Management ! Option : ein Speicherbereich mit überlappendem Zugriff

Holding Registers 16 Bit Read-Write Application

17 18 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Getrennte Datenblöcke Ein Datenblock mit Überlappung

Modbus Server Device Modbus Server Device Arbeitsspeicher Arbeitsspeicher

Modbus-Zugang Modbus-Zugang

Discrete Input Discrete Input Modbus Modbus Coils Request Coils Request

Input Registers Input Registers

Holding Registers Holding Registers

19 20 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Adressierung der Daten

Modbus/TCP Regeln der Adressierung in Modbus-PDUs ! Adressen für Daten in PDUs im Bereich 0 .. 65 535 (16 Bit) • Grundsätze und Versionen ! Vier getrennte Adressbereiche pro primärer Datentabelle • Protokollbeschreibung ! Nummerierung der Datenelemente in den Datentabellen von 1 bis n ! Adresse (1a) adressiert Datenelement a im Datenmodell Bereich 1 • Datenmodell und Datencodierung ! Abbildung (Mapping) des Datenmodells auf die Geräte- • Adressierung und Transaktionen Implementierung (z.B. IEC-61 131-Objekt) Modbus Adressraum (16 Bit) • Function Codes 4 Adressenblöcke

n Adressenelemente Hersteller-abhängig

21 22 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Adressmodell Zustandsdiagramm und Transaktionen 1

Modbus- Modbus- Server Device Datenmodell PDU-Adressen Warten auf MB-Nachricht Arbeitsspeicher 1 . Read Descrete Discrete Input a Validieren des . Input (1a) n Function Code

1 ungültig Coils . .b Read Coil (2b) ExceptionCode = 1 m gültig 1 . Read Input Input Registers c Validieren der Register (3c) . Daten-Adresse l 1 ungültig . Read Holding ExceptionCode = 2 Holding Registers .d Register (4d) k gültig anwendungs- 1 2 3 4 spezifisch Modbus-Standard 5 Mapping

23 24 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Zustandsdiagramm und Transaktionen 2 Transaction Response

4 Erfolgreiche Transaktion " positive Modbus Response 1 2 3 5 Validieren des Datenwertes ! Response Function Code = Request Function Code ungültig ExceptionCode = 3 Fehler bei der Transaktion " Modbus Exception Response gültig ! Exception Function Code = Request Funktion Code + 0x80 Ausführen der MB-Funktion ! Information an den Client über die Art des Fehlers im zugefügten ungültig ExceptionCode = 4, 5, 6 Exception Code gültig

Senden der Senden der ! Beispiel: “ExceptionCode = 01” " Function Code nicht unterstützt MB Exception MB Response Response

25 26 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Definition der Function Codes

Modbus/TCP Grundlegende Merkmale der Function Codes

• Grundsätze und Versionen ! Codierung in 1 Byte: gültige Werte 1 .. 255

• Protokollbeschreibung ! Bereich 128 .. 255 für Exceptions (Fehlercodes) genutzt • Datenmodell und Datencodierung ! Festlegung der auszuführenden Aktion durch den Function Code in • Adressierung und Transaktionen Nachrichten vom Client zum Server • Function Codes ! Sub-Function Codes zur Definition von Mehrfach-Aktionen

27 28 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Definition des Datenfeldes Kategorien von Function Codes

Grundlegende Merkmale des Datenfeldes Public Function Codes : standardisiert und veröffentlicht

! Zusatzinformationen zur Aktion in Nachrichten vom Client zum Server ! Definition und Validierung durch Modbus Organization

! Angeforderte Antwortdaten in Nachrichten vom Server zum Client bei ! Conformance Tests festgelegt fehlerfreier Ausführung User-Defined Function Codes : nutzerspezifische Bereiche

! Exception Code (Fehlercode) in Nachrichten vom Server zum Client ! Auswahl und Implementierung durch den Nutzer bei Auftreten von Fehlern ! Eindeutigkeit nicht gewährleistet ! Beispiele: Adressen von Bitdaten und Registern, Anzahl von Objekten Reserved Function Codes (128..255) der Aktion, Länge des Datenfeldes ! Nutzung teilweise durch Legacy-Anwendungen ! Option: leeres Datenfeld (0 Byte) bei Nichtvorliegen von Daten ! Nutzung auch für Fehlersignalisierung (Exceptions)

29 30 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Bereiche der Function Codes Function Codes für Datenzugriff

Datenelemente Zugriff Fu. Code 127 Bereich 128 .. 255: Reserved Public Function Codes Function Codes Physical Descrete Inputs Read 02 110 Physical Coils oder Read 01 User Defined Function Codes 100 Internal Bits Write Single 05 Write Multiple 15 Public Function Codes Physical Input Registers Read 04 Physical Holding Registers oder Read 03 72 Internal Registers Write Single 06 User Defined Function Codes 65 Write Multiple 16 Read/Write Multiple 23 Mask Write 22 Public Function Codes Read FIFO 24 File Records Read 20 Write 21 Encapsulated Interface Transport 43 1 Function Code 0: nicht verwendet CANopen General Reference 43-13

31 32 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Beispiel 1: Function Code 01 (1) Beispiel 1: Function Code 01 (2)

Beschreibungsbeispiel: Function Code 01 “Read Coils” Request PDU

! Lesen von 1 bis 2000 zusammenhängenden Bitwerten Function Code 1 Byte 0x01 ! Ermitteln des Status von Coils in abgesetzten Geräten Startadresse 2 Byte 0x0000 bis 0xFFFF Anzahl der Bitwerte 2 Byte 1 bis 2000 (0x7D0) ! Request PDU: Startadresse für das erste Element (Coil) und Anzahl der zusammenhängenden Elemente Response PDU

! Response PDU: Übermitteln der gelesenen Bitwerte (1 = ein ; 0 = aus) Function Code 1 Byte 0x01 Anzahl folgender Bytes 1 Byte z Statuswerte (Coils) n Byte n = z oder z+1

n = z, wenn Anzahl der Bitwerte durch 8 teilbar, sonst z+1

33 34 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Beispiel 1: Function Code 01 (3) Beispiel 2: Function Code 23 (1)

Exception Response PDU Function Code 23 (0x17) “Read/Write Multiple Registers”

Exception Function Code 1 Byte 0x81 ! Lese- und Schreib-Aktionen für Holding-Register in einer Transaktion Exception Code 1 Byte 01, 02, 03 oder 04 ! Ausführen des Schreib-Aktionen vor dem Lese-Aktionen

! Request PDU: Startadresse für das erste zu lesende Holding-Register Exception Code 01: ungültiger Function Code und Anzahl der danach zu lesenden Elemente Exception Code 02: ungültige Anzahl von Bitwerten ! Request PDU: Startadr. für das erste zu schreibende Holding-Register, Exception Code 03: ungültige Startadresse Anzahl der danach zu schreibenden Elemente und Schreibdaten Exception Code 04: Fehler beim Lesen der Bitwerte ! Response PDU: Übermitteln der Werte aus den gelesenen Holding- Registern

35 36 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Beispiel 2: Function Code 23 (2) Beispiel 2: Function Code 23 (3)

Request PDU Exception Response PDU Function Code 1 Byte 0x17 Lese-Startadresse 2 Byte 0x0000 bis 0xFFFF Exception Function Code 1 Byte 0x97 Anzahl der Lesewerte 2 Byte L: 0x0001 bis 0x007D Exception Code 1 Byte 01, 02, 03 oder 04 Schreib-Startadresse 2 Byte 0x0000 bis 0xFFFF Anzahl der Schreibwerte 2 Byte S: 0x0001 bis 0x0079 ! Exception Code 01: Anzahl der Schreibbyte 1 Byte 2 x S Function Code ungültig Register-Schreibwerte S x 2 Byte Daten ! Exception Code 03: Anzahl der Schreibwerte oder Anzahl der Lesewerte ungültig oder Anzahl der Schreibbyte ungleich der doppelten Anzahl der Schreibwerte Response PDU ! Exception Code 02: Function Code 1 Byte 0x17 Startadressen für das Lesen oder das Schreiben ungültig ! Exception Code 04: Anzahl folgender Bytes 1 Byte 2 x L Fehler beim Lesen oder Schreiben der Registerwerte Register-Lesewerte L x 2 Byte Daten

37 38 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – Modbus-TCP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt

EtherCAT Industrielle Bussysteme : EtherCAT • Grundsätze und Organisation • Topologie und Implementierung

Dr. Leonhard Stiegler • Protokolle und Formate Automation • Dienstgüte und Anwendungen

www.dhbw-stuttgart.de

2 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

EtherCAT : Definition EtherCAT : Organisation

Grundlegende Merkmale von EtherCAT Definition und Pflege der EtherCAT-Technik:

! EtherCat Technology Group (ETG) : Gründung in 11/2003 ! EtherCAT : “Ethernet for Control Automation Technology” ! ETG-Büros in Deutschland (Zentrale), USA, China, Japan Korea ! Offenes Feldbus-System auf Ethernet-Basis mit Optimierung für ! Mitglieder: mehr als 2600 in 56 Ländern (02/2014) Anwendungen in der Automation ! Unterstützung durch mehr als 150 Hersteller

! Hohe Kapazitätsnutzung durch “processing on the fly”: Zugriff auf ! Unterstützung, Förderung und Werbung für EtherCAT durch ETG

Daten während des Durchlaufens der Datenpakete ! Sicherstellen der Kompatibilität von Implementierungen

! Definition von Funktionsanforderungen, Testverfahren und ! Adressierung aller Knoten im Netzabschnitt in einem Ethernet-Paket Zertifizierungsprozeduren

3 4 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Internationale Standardisierung EtherCAT Funktionsprinzip

EtherCAT einbezogen in internationale Standards: Funktion von EtherCAT als Feldbus:

! IEC 61158 : Feldbus-Systeme für industrielle Steuerung ! Abschicken des Pakets durch den Master

! IEC 61784-2 : Kommunikationsprofile für Geräteklassen ! Durchlaufen aller Stationen am Netzbus nacheinander

! IEC 61784-3-12 : Funktionssicherheit in Feldbus-Systemen ! Einlesen und Auslesen der Daten des Pakets an jeder Station während des Durchlaufens („on the fly“) ! IEC 61784-5-12 : Installationsprofile für Feldbus-Systeme ! Empfang und Auswerten des Pakets durch den Master nach dem ! IEC 61800-7 : Antriebsprofile und –Kommunikation vollständigen Durchlauf ! ISO 15745-4 : Gerätebeschreibung mit XML

! SEMI E54.20 : Halbleiter- und Display-Fertigung 21_EtherCAT-animation.svg

5 6 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Implementierung der Stationen

EtherCAT Ziel: kostengünstige Implementierung bei hoher Güte

• Grundsätze und Organisation Hauptstation (Master): Unterstation (Slave): ! Nutzung der Standard- • spezielle EtherCAT • Topologie und Implementierung Ethernet-Ports Slave Controller • Protokolle und Formate ! kein spezieller Prozessor • FPGA oder ASIC für ! Funktionen in der einfache Stationen • Dienstgüte und Anwendungen Software der Master-CPU • Controller für komplexe Stationen

Netz-Infrastruktur: ! Standard-Ethernet-Kabel und -Stecker ! Switches und Hubs als Option (nicht erforderlich)

7 8 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Ethercat – Übersicht EtherCAT-Netzarchitektur

EtherCAT-Master EtherCAT Koppler mit I/O-Modulen ENI: EtherCAT Network ENI EtherCAT Information : XML-Datei A EtherCAT File ESI: EtherCAT Slave Master Configuration (XML) Tool Information : XML-Datei B NI: EtherCAT Network Interface Animation Embedded Channel Header

ESI ESI ESI File File File Rx Payload Tx (XML) (XML) (XML) handling A B Teil der Standards IEC 61158 und IEC 61784-2 EtherCAT EtherCAT EtherCAT Tx Switching Rx Slave Slave Slave Datenzugriff erfordert NI NI NI NI NI NI spezielle Switch-Hardware

10 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 9 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

EtherCAT Slave Information (ESI) EtherCAT Network Information (ESI)

EtherCAT Network Information (ENI) File pro Master: EtherCAT Slave Information (ESI) File pro Gerät: ! Datei mit den relevanten Daten des vom Master gesteuerten ! Datei mit den relevanten Daten des Geräts im XML-Format Netzabschnitts im XML-Format ! Identität des Herstellers, Produkt-Code, Version, Seriennummer ! Aufbau der ENI-Datei durch das Konfigurations-Tool nach der ! Objekt-Verzeichnis (Object Dictionary) mit dem Profil des Geräts Abfrage der ESI-Dateien aller Slaves im Netzabschnitt ! Abfrage durch den Master bei der Konfiguration des Netzabschnitts ! Abbildung der Netz-Topologie mit den Profilen der eingesetzten Geräte

! Initialisierungs-Befehle und zyklisch zu sendende Befehle

11 12 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Ring-Struktur ohne Redundanz Ring-Struktur mit Redundanz Stationen in linearer Topologie und logischem Ring ohne Redundanz Stationen in linearer Topologie und logischem Ring mit Redundanz Master Master

Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe E S E S alle Stationen auch bei MAC 1 MAC 1 MAC 2 Störung verfügbar E S Stationen hinter der E S E S Störung abgehängt

Slave 1 Slave n Slave n+1 Slave z Slave 1 Slave n Slave n+1 Slave z

E S E S E S E S E S E S E S E S S E S E S E S E S E S E S E S E

13 14 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Übertragungs-Medien Inhalt

EtherCAT EtherCAT-Übermittlung über unterschiedliche Medien: • Grundsätze und Organisation ! Einsatz von Fast Ethernet und Gigabit Ethernet • Topologie und Implementierung ! Kupfer-Doppelader-Kabel • Protokolle und Formate ! Glasfaser-Kabel • Dienstgüte und Anwendungen ! Funk-Übertragung

! Unterstützung komplexer Fertigungs-Infrastrukturen

15 16 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Übersicht: EDP und EAP EDP : Basis-Protokoll

Wesentliche Merkmale von EDP EtherCAT Device Protocol EtherCAT Automation Protocol ! Einsatz auf der Feldbus-Ebene in Maschinen, z.B. für (EDP) (EAP) Bewegugssteuerung, Ein-/Ausgabe, Messungen ! ursprüngliches Protokoll ! erweitertes Protokoll (2009) ! Echtzeitverhalten sehr gut, insbesondere Zykluszeiten unter ! Funktionsprinzip ! Ergänzungen um Funktionen „processing on the fly“ 100 µs und präzise Zeit-Synchronisation für die Fertigungs- ! Verarbeitung in den Stationen in Hardware: EtherCAT Station ! lokale Feldbus-Systeme Automatisierung unter ! Einschränkungen bei Beibehaltung des Controller (ESC) Lösungen der Funktionsprinzips ! Konfiguration mit flexibler Topologie aus Bus und Stern Automatisierung ! Standard-Ethernet-Kabel und -Stecker

17 18 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

EAP : Erweiterungen EtherCAT Paketstruktur

Erweiterung mit EAP auf Fertigungs-Automatisierung EtherCAT Header (Kopffeld) und Daten eingebettet in Standard-Ethernet-Rahmen EtherCAT gekennzeichnet durch Ethertype 0X88A4

! Ethernet-Kommunikation auch zwischen Steuereinheiten und MAC-Adressen zum Management-System Destination Source EtherType ECAT Header EtherCAT Data CRC

! Vereinfachen des direkten Zugangs zu Prozessdaten der Sensor- und Aktor-Ebene Längenfeld Res Typ 11 bit 1 bit 4 bit ! Integration mobiler Stationen Data Header Datagram 1 Datagram n ! Routing über Systemgrenzen hinweg

! Einheitliche Schnittstellen für Überwachung und Konfiguration Art der Daten und Aufbau des Datenfeldes abhängig vom Typ im ECAT Header

19 20 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Typen von EtherCAT-Rahmen EAP Prozessdaten

Zyklische Übermittlung von Prozessdaten zwischen Mastern mit EAP Unterscheidung von EtherCAT-Rahmen-Typen 0X88A4 ! Definition der Art der EtherCAT-Daten durch das Typfeld im Destination Source EtherType ECAT Header PD Datagramm CRC EtherCAT Header (4 bit)

! Typ1 : ECAT Device Protocol (EDP) Längenfeld „0“ Typ „4“ 11 bit 1 bit 4 bit ! Typ 4 : ECAT Automation Protocol (EAP) – Prozessdaten

! Typ 5 : EAP – Mailbox-Daten PD Header PD 1 PD n Publisher-ID

PDO Header PDO Variablen Variablen-ID

21 22 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Prinzipien von ADS Prozessdaten-Übermittlung

Automation Device Specification (ADS) Arten der Prozessdaten-Übermittlung in EAP

! Standard-Schnittstelle unabhängig von Geräten und Feldbussen ! Broadcast: Senden der Prozessdaten durch jede Station in seinem

! Kommunikation zwischen ADS-fähigen Stationen („ADS Device“) Zyklus; Empfang durch jede andere Station möglich über einen Message-Router ! Abfrage („Polling“) mit 1:1-Verbindung: zyklisches Senden von

! „ADS Device“: Objekt mit ADS-Schnittstelle zum Anbieten von Prozessdaten durch eine Station („Client“); 1:1-Antwort synchron Server-Diensten durch adressierte Stationen („Server“)

! Einsatz im EtherCAT Automation Protocol EAP ! Abfrage („Polling“) mit 1:n-Verbindung: zyklisches Senden von Prozessdaten durch eine Station („Client“); Antwort durch eine oder ! Industriestandard durch Firma Beckhoff Automation vorgeschlagen mehrere Stationen („Server“)

23 24 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 EtherCAT Mailbox Transport über TCP und UDP

Mailbox-Kommunikation in EtherCAT zwischen der Feldebene und Hintergrund- und Transport von EtherCAT-Rahmen über TCP/IP- oder UDP/IP-Netze bei EAP in Unterstützungssystemen (z.B. MES, ERP) der Fertigungs-Automatisierung

0X88A4 Destination Source EtherType ECAT Header Mailbox CRC Dest. Source EType IP UDP ECAT Header EtherCAT Data CRC

Längenfeld „0“ Typ „5“ 0x0800 0x88A4 11 bit 1 bit 4 bit IPv4 EtherCAT

Mailbox Header AoE Header Mailbox Data Dest. Source EType IP TCP ECAT Header EtherCAT Data CRC Header Typ 1: AoE Mailbox-Daten Header Typ 3: CoE Mailbox-Daten Header Typ 4: FoE Mailbox-Daten Header Typ 5: SoE Mailbox-Daten

25 26 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Kommunikations-Optionen bei EAP Objekt-Verzeichnisse

Master-Master Object Dictionaries : Objekt-Verzeichnisse: ! Direktverbindung von Ports an zwei Master-Stationen ! EtherCAT Objekt: Container für Parameterwert mit definierter Master-Slave Identität und in definiertem Datenformat ! Ringtopologie mit oder ohne Redundanz ! Option: Sterntopologie mit Switch ! Festlegen von Datentyp, Wertebereich, Einheit Slave-Slave ! Objekt-Verzeichnis in jedem EtherCAT Gerät mit allen relevanten ! Topologie-abhängig ohne Zwischenschalten des Masters: Einfügen Parameterwerten durch Slave „upstream“ und Auslesen durch Slaves „downstream“ ! Topologie-unabhängig in zwei Übermittlungszyklen über den Master ! Abbilden der Konfiguration und Speichern der Funktionsparameter mit höherer Verzögerung ! Objekt-Index als Adress-Pointer zum Speicherort

27 28 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 EtherCAT Objekt-Kommunikation EtherCAT: Zustandsdiagramm

Init Nachrichtenart: Process Data Nachrichtenart: Service Data (keine SDOs; keine PDOs) Object (SDO) Message Object (PDO) Message ! ohne Antwort: „unconfirmed“ ! Bestätigung durch Antwort: Pre-Operational „confirmed“ ! zyklische Übermittlung (SDOs; keine PDOs)

! Übermittlung nicht zeitkritischer Prozessdaten zeitkritischer Daten ! bis zu 16 Objekten PDO Safe-Operational (SDOs; TPDOs; keine RPDOs) ! Konfiguration der Stationen Message

! Lesen und eingeschränktes ! TPDO: Transmit PDO Schreiben von Objekten ! RPDO: Receive PDO Operational (SDOs; TPDOs und RPDOs)

29 30 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Dienste: Fertigungs-Automatisierung

EtherCAT Dienst Anforderungen PD MBX R OD • Grundsätze und Organisation Master-Master-Kommunikation X X • Topologie und Implementierung

• Protokolle und Formate Externes Management: Konfiguration und X X X Diagnose • Dienstgüte und Anwendungen Verbindung zur zentralen Verarbeitung , zu X X MES- und ERP-Systemen

Verbindung zur Visualisierung, incl. X X Statusanzeige und Überwachung

31 32 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Güte der Synchronisation Synchronisationsablauf

Initiierung durch den Master im Netzabschnitt: EtherCAT : Synchronisation Broadcastnachricht mit definierter Adresse an alle Slaves im Netzabschnitt

! Exakte Synchronisation verteilter Taktquellen in den Slaves Zweimaliges Einfügen des internen Takt-Zählerwertes durch jeden Slave: initiiert vom Master einmal beim Durchlauf in Hinrichtung, einmal in Rückrichtung

! Geringer Takt-Jitter (<< 1 µs) auch bei höherem Zyklus-Jitter Auswerten der eingefügten Takt-Zählerwerte durch den Master: ! Master-Implementierung in Software möglich Berechnen der Laufzeitwerte (Offset) durch den Verzug zu jedem Slave

! Definition des Systemtakts durch einen Zähler mit 64 Bit Speichern der Laufzeitwerte (Offsets) in einem Offset-Register: Wiederholen der Vorgänge und Ausmitteln von Abweichungen ! Zähler-Basiseinheit : 1 ns ; Startzeit : 01.01.2000 – 00:00

! Einhalten des Standard IEEE 1588 Precision Time Protocol Broadcast durch den Master: Setzen des ersten Slave als Bezugstakt und Einstellen der anderen Slave-Zähler mit berechnetem Offset

33 34 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

EtherCAT : Zeitverhalten Sicherheit über EtherCAT

EtherCAT : Beispielrechnung für das Zeitverhalten FSoE : FailSafe over EtherCAT ! Bewegungssteuerung für 40 Achsen mit jeweils 20 Bit Eingabe- und Ausgabe-Daten ! Verfahren für Sicherheits-Anwendungen über EtherCAT ! 50 Eingabe-Ausgabestationen mit insgesamt 560 EtherCAT- ! TÜV-Zulassung für FSoE Bus-Terminals ! Ein-/Ausgaben : 2000 Digital und 200 Analog ! Safety Integrated Level SIL 3 nach IEC 61508 ! Gesamt-Buslänge : 500 m ! Internationaler Standard für FSoE: IEC 61784-3-12 ! Güte: EtherCAT-Zyklusdauer (44% Bus-Auslastung): 276 µs ! Vergleich: Sercos III 479 µs; PROFINET IRT 763 µs; ! Offenes Protokoll für EtherCAT und andere Systeme Powerlink V2 2347 µs; PROFINET RT 6355 µs ! Übermittlung von sicherer und ungesicherter Information im

Quelle: EtherCAT Technology Group selben Netz

35 36 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 FSoE Funktionsprinzip FSoE-Konfiguration

Sicherheits-Anwendungen und ungesicherte Anwendungen in einem Netz und in einer Station implementierbar FSoE-Integration in EtherCAT-Feldbus-Systeme Station 1 Station 2 ! FSoE-Verbindung zwischen FSoE-Master und FSoE-Slave Sicherheits- Sicherheits- Ungesicherte ! Funktion des FSoE-Master In EtherCAT-Slave integrierbar Ungesicherte Anwendung Anwendung Anwendung Anwendung ! Sichere und ungesicherte Anwendungen in einer EtherCAT-

Station kombinierbar FSoE FSoE Protokoll ! FSoE-Übertragung sicherer Prozessdaten transparent über den Protokoll EtherCAT-Schnittstelle EtherCAT-Kanal EtherCAT-Schnittstelle

EtherCAT-Datagramm

FSoE-Frame

37 38 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 5 – EtherCAT, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt

EtherNet/IP (Industrial Protocol) Industrielle Bussysteme : EtherNet/IP • Grundsätze und Entwicklung • CIP und Protokollbeschreibung

Dr. Leonhard Stiegler • Objekt-Modell und Formate Automation • Anwendung und Implementierung

www.dhbw-stuttgart.de

2 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 EtherNet/IP : Definition EtherNet/IP : Standardisierung

Erste Definition: Grundlegende Merkmale des EtherNet/IP ! Rockwell Automation (Ende der 90-iger Jahre)

! Messaging-Protokoll auf der Grundlage des Ethernet Weiterentwicklung und Pflege:

! Implementierung des “Common Industrial Protocol (CIP)” ! Open DeviceNet Vendor Association (ODVA)

! Unterstützung durch mehr als 150 Hersteller ! Medienunabhängige Kommunikations-Architektur Weitere relevante ODVA-Standards: ! Umfassendes Dienste-Spektrum für die industrielle Automation ! ControlNet ; DeviceNet ; CompoNet ! Einsatz seit 2000 ! CIP Motion ; CIP Safety ; CIP Sync

3 4 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Grundlegende Protokollfolge EtherNet/IP Topologie-Optionen

Einsatz des medien-unabhängigen Anwendungsprotokolls Zwei wesentliche Alternativen der EtherNet/IP-Topologie - auch in Kombination einsetzbar CIP über TCP oder UDP und IP und Ethernet:

CIP Anwendung Sternnetz: Ringnetz:

Switched Ethernet Device Level Ring (DLR) TCP UDP Transport Anschluss der Stationen an Anschluss der Stationen an Switches rekonfigurierbaren Ring IP Netz

Ethernet Link

5 6 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Ethernet-Sterntopologie Device Level Ring (DLR)

Sterntopologie als Standard bei EtherNet/IP: Device Level Ring (DLR) als Topologie-Option:

! Anschluss der Stationen an Ethernet-Switches ! Ringnetz mit Rekonfigurierbarkeit im Fall von Fehlern

! Leistungsfähige Switches mit Management-Schnittstelle (SNMP) für ! Überwachung des Netzes und Steuerung der Konfiguration durch industrielle Anwendungen erforderlich den „Ring Supervisor Node“

! Verzögerungen durch Switches nicht vorhersehbar: begrenzte ! Monitoring des Netzzustands durch spezielle „Beacon Frames“

Eignung bei hohen Echtzeit-Anforderungen ! Stationen mit Unterstützung des DLR-Protokolls erforderlich

! Trennung von Netzabschnitten und Begrenzung des Broadcast-und ! Anpassung von Stationen ohne DLR über spezielle Switches Multicast-Verkehrs durch Router mit IGMP Snooping ! Kombination mehrerer Ringnetze möglich

! Zusammenarbeit mit Ethernet-Sterntopologien

7 8 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Device Level Ring (DLR) : Topologie Inhalt

Ring Supervisor DLR- EtherNet/IP (Industrial Protocol) Node Station • Grundsätze und Entwicklung Station ohne DLR • CIP und Protokollbeschreibung DLR- Station Anpassung • Objekt-Modell und Formate

• Anwendung und Implementierung

Anpassung Reconfiguration bei Fehlern und Unterbrechungen Station ohne DLR

9 10 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 CIP Eigenschaften Producer-Consumer-Modell

Common Industrial Protocol (CIP) Modell zur Datenübermittlung : Producer-Consumer (Erzeuger-Verbraucher) Consumer Producer Consumer Consumer Consumer ! Anwendungs-Protokoll zur Automatisierung industrieller Prozesse (Verbraucher) (Erzeuger) (Verbraucher) (Verbraucher) (Verbraucher) ! Breites Spektrum an Diensten und Transaktionen Verarbeiten Erstellen Verarbeiten ! Nutzung unterschiedlicher Kommunikationsoptionen für Transport, Filtern (+) Filtern (-) Filtern (+) Filtern (-) Netz und Link, insbesondere EtherNet/IP Empfang Senden Empfang Empfang Empfang ! CIP Safety zur Gewährleistung der Sicherheit

! CIP Sync für die zeitliche Synchronisation zwischen Geräten Broadcast-Datenübermittlung ! CIP Motion für komplexe Bewegungssteuerung in Echtzeit Schnelle Übermittlung zwischen Unterstationebn (slave-to-slave) Verteilen (broadcast) mit Notwendigkeit der Filterung

11 12 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

CIP: Kommunikationsarten CIP-Schichtenmodell

CIP Motion Motor Transducer I/O andere Semicon- CIP Safety . Profiles Control P. Profiles Profile CIP-Mode Beschreibung Antwortzeit Schicht 4 Profiles ductor P. Profiles Object Library Safety (Communications, Application, Time Synchronization) Object Lib. Unconnected Phase des Erstellens der CIP- Sekunden TCP Verbindung zu anderem Gerät Data Management Services Safety Explicit and I/O Messages Services etwa 0,5 sec Connected – Austausch nicht zeitkritischer Daten, TCP Connection Management & Routing Explicit z.B. mit Systemen oberhalb der bis einige Feldebene Sekunden Messages TCP - UDP CompoNet ControlNet DeviceNet Transport- und Transport- und Transport- und Connected – zeitkritische Daten der Feldebene, Netzschicht Netzschicht Netzschicht <1 ms bis UDP IP Implicit I/O insbesondere periodische etwa 40 ms unicast/ Übertragung im “Producer-Cosumer- multicast Ethernet CompoNet ControlNet CAN Multicast”-Modell MAC Timeslot CTDMA CSMA/NBA Ethernet CompoNet ControlNet DeviceNet Physikal. Schicht Physikal. Schicht Physikal. Schicht Physikal. Schicht EtherNet/IP CompoNet ControlNet DeviceNet

13 14 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Verbindungen : CIP und TCP CIP-Sync und IEEE 1588

Anwendung CIP-Verbindungen Anwendung CIP-Sync zur Verbesserung des Echtzeit-Verhaltens

! Zeitsynchronisation auf der Grundlage des Standards IEEE 1588

! Precision Time Protocol (PTP) definiert in IEEE 1588-2008 TCP TCP-Verbindung TCP ! Taktsynchronisation im Sub-Mikrosekunden-Bereich

! Eignung für Steuerungs- und Automatisierungssysteme Mehrere CIP-Verbindungen über eine TCP-Verbindung Mehrere TCP-Verbindungen pro Station zu anderen Stationen ! Taktverteilung in Master-Slave-Konfiguration ! Synchronisation auch über mehrere Netzsegmente hinweg

15 16 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt CIP Objekt-Modell

EtherNet/IP (Industrial Protocol) CIP als objekt-orientiertes Protokoll

• Grundsätze und Entwicklung ! CIP Object Library : Bereitstellung umfassender Funktionen ! Implementierung der Geräte mit spezifischen Objekt-Modellen • CIP und Protokollbeschreibung ! Kommunikationsmodell: Producer-Consumer • Objekt-Modell und Formate ! Übermittlung von einem Sender (Producer) an mehrere Empfänger • Anwendung und Implementierung (Consumer)

! Device Profiles: standardisierte Geräteprofile mit einheitlichem Konfiguration und gleichem Verhalten

17 18 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 CIP-Netzanpassungen Objekte für EtherNet/IP

Anpassung von CIP an vier Typen von Netzen Zwei spezielle Objekte in CIP zur Nutzung über EtherNet/IP

! EtherNet/IP: Nutzung der Ethernet-Infrastruktur in unterschiedlichen TCP/IP Object Ethernet Link Object Topologien, incl. Stern und Device Level Ring (DLR) Class ID: 0xF5 Class ID: 0xF6 ! DeviceNet: CIP über CAN-Technik mit Trunkline-Dropline- Topololgie und Stromversorgung über Verbindungskabel Konfiguration von: Konfiguration der

! ControlNet: CIP über CTDMA-Technik für schnelle Übertragung bei ! IP-Adresse Ethernet-Schnittstelle zeitkritischen Anwendungen in unterschiedlichen Topologien ! Netzmaske ! Status-Information

! CompoNet: CIP über TDMA-Technik zur schnellen Verbindung von ! Gateway-Adresse ! Zähler

Steuerungen mit Sensoren und Aktoren ! usw. ! usw.

19 20 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Objekt-Modell der CIP-Geräte Inhalt

CIP CIP EtherNet/IP (Industrial Protocol) CIP Parameter Identity Objekt Objekt Application • Grundsätze und Entwicklung Objekt Explicit Message CIP • CIP und Protokollbeschreibung Router Assembly Objekt Network • Objekt-Modell und Formate Link Implicit I/O Explicit messages messages • Anwendung und Implementierung CIP-Connection(s) notwendige Objekte

CIP-Netz (EtherNet/IP, DeviceNet, ControlNet, CompoNet)

21 22 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Anwendung: CIP Motion Converged Plantwide Ethernet CPwE

CIP Motion als Ergänzung von CIP ! Zusammenarbeit von Rockwell Automation und Cisco Systems

! Verbesserung der Anwendungen zur Bewegungsregelung („Motion ! Architektur für integrierte Netze der industriellen Automatisierung auf Control“) mit CIP über EtherNet/IP Basis des Ethernet

! Beschreibung im „Motion Control Device Profile“ mit ! Einsatz von CIP über EthernetI/IP Implementierungen seit 2009 ! CPwE als Kombination von Ethernet-to-the-Factory (EttF) von Cisco

! IEEE 1588 Synchronisation mit CIP Sync vorausgesetzt und Integrated Architecture von Rockwell

! Spezielle Schnittstellen-Schaltungen empfohlen ! Beschreibung und Anleitung im “Converged Plantwide Ethernet (CPwE) Design and Implementation Guide”

23 24 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 7 – Ethernet-IP, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt

• Profinet Andere Industrielle Bussysteme • Ethernet Powerlink • Avionics Full Duplex Swiched Ethernet – AFDX

Dr. Leonhard Stiegler • Train Communication Network – TCN Automation

www.dhbw-stuttgart.de

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme TeilL. Stiegler 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 2 5. Semester,5. Semester, Automation Automation, 2014, 2015 Profinet, Geräte und Rollen

• Controller-basierte Architektur

• Kommunikation von IO-Devices über industrielles Ethernet

• Standard Ethernet, drahtgebunden oder drahtlos

• Echtzeitfähig (motion control Anwendungen)

• Unterstützt OPC Schnittstelle zur Mensch-Maschine Kommunikation

• Kommunikation mit Vorgängersystemen wie z.B. Profibus

• Übertragungsraten: FE (100Mbit/s) GE (1000Mbit/s)

• Full-Duplex Übertragung

© Siemens AG

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 3 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 4 5. Semester, Automation, 2015

Gerätemodell Protokolle Subadressierungseinheit

PROFINET

TCP / UDP DCP

IP (LLDP, MRP, SNMP)

ARP (MAC - IP – Adressenauflösung)

Ethernet

ARP: Address Resolution Protocol DCP: Dynamic Configuration Protocol Steckplatz einer Datenidentifikation durch: LLDP: Link Layer Discovery Protocol SNMP: Simple Network Management Protocol Peripherie-Baugruppe Slot / Subslot / Index MRP: Media Redundancy Protocol IP: Internet Protocol

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 5 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 6 5. Semester, Automation, 2015 Profinet – Klassen und Zeitmultiplex Inhalt

Bestandteil von IEC 61158 und IEC 61784-2 • Profinet

IRT standard IRT standard IRT standard IRT standard … • Ethernet Powerlink Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 • Avionics Full Duplex Swiched Ethernet – AFDX

H IRT Data TCP/IP & RT • Train Communication Network – TCN

Betriebsart RT (Real-Time) Prozessdaten reisen erster Klasse Betriebsart IRT (Isochroneous Real-Time) Zeitmultiplex für Prozessdaten Zeitmultiplex erfordert spezielle Switch-Hardware

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 7 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme TeilL. Stiegler 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 8 5. Semester,5. Semester, Automation Automation, 2014, 2015

Ethernet Powerlink Ethernet POWERLINK

• Software-basierte industrial Ethernet Lösung Orchestrierung in Schicht 3

• Client – Server Prinzip : Managing Node (MN); Controlled Nachricht: Header Nutzdaten Nodes (CN) ! Ethernet Rahmen (Frame) ! IP Packet (im Ethernet Header PL-Header Nutzdaten • Topologie: Stern, Baum, Kette, Ring und Kombinationen Rahmen) Message Ziel- Quell- • Zyklus: R Nutzdaten Type knoten knoten

deterministic asynch deterministic asynch deterministic asynch deterministic asynch

Message Types: SoC (Start of Cycle) SoA (Start of Asynchronous) Polling Request/Response Asynchronous Send Reguläre Ethernet Frames Master … SoC Req1 Req2 … ReqN SoA SoC Slaves Res1 Res2 ResN ASnd SoC: Start of Cycle; Preq: PollRequest-Nachricht; Pres: PollResponse-Nachricht 1 Zyklus

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 9 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 10 5. Semester, Automation, 2015 Inhalt Avionics Full Duplex Swiched Ethernet - AFDX

• Profinet • Bezeichnung für den ARINC-Standard 664

• Ethernet Powerlink • AFDX bezeichnet ein Schicht-2 Netz und das dazu gehörige Protokoll für die Kommunikation zwischen Flugzeugsystemen • Avionics Full Duplex Swiched Ethernet – AFDX • Erfüllt spezielle Anforderungen der Luftfahrtindustrie: • Train Communication Network – TCN – Hohe Datenrate, geringes Gewicht der Baugruppen und Module Eingesetzt in A380, B787

Industrielle Bussysteme TeilL. Stiegler 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 11 5. Semester,5. Semester, Automation Automation, 2014, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 12 5. Semester, Automation, 2015

AFDX AFDX Switch Architektur Avionics Full-Duplex Switched Ethernet ARINC 664 Standard - Switches - Evolutionär ES ES - Statische Konfiguration der Netzwerke (VL) ES: End System - Redundanter Betrieb zweier ES Netzwerke (full-duplex) ohne Netzwerk VL: Virtueller Link Umschaltzeiten Netzwerk B

ES ES Redundanz Mit Hilfe eines AFDX-Swiches werden Endsysteme (ES) miteinander verbunden. Management Das Switch-ES enthält z.B. Netzmanagement Funktionen Netzwerk A

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 13 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 14 5. Semester, Automation, 2015 AFDX Datentransfer AFDX Protokollstack

AFDX Nutzdaten

UDP

IP

Ethernet BAG: ist ein Zeitschlitz in einer VL-Verbindung BAG-Dauer: 1 – 128 ms (als Zweierpotenz-Wert : 1, 2, 8, 16, 32, 64, 128) Jitter: Rahmen-Zeitoffset

Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 15 5. Semester, Automation, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 16 5. Semester, Automation, 2015

Inhalt Train Communication Network – TCN • Hierarchisch aufgebautes Feldbussystem für die zeit- und • Profinet sicherheitskritische Datenübertragung in Schinenfahrzeugen • TCN - Aufbau: • Ethernet Powerlink – Zugbus (WTB) zur Verbindung von max. 32 Fahrzeugen Hardware: TP; Datenrate: 1,0Mbit/s; Länge: max. 860m • Avionics Full Duplex Swiched Ethernet – AFDX – Fahrzeugbus (MVB) zur Kommunikation von max. 4096 I/O-Geräten oder intelligenter Steuerungen • Train Communication Network – TCN

Industrielle Bussysteme TeilL. Stiegler 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 17 5. Semester,5. Semester, Automation Automation, 2014, 2015 Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 18 5. Semester, Automation, 2015 TCN – Train Communication Network

IEC Norm 61375-1, Erweiterung auf 61375-4 (Ethernet Consist Network) und 61375-2-5 (Ethernet Train Backbone) in Arbeit, evolutionär

Consist (Zugabschnitt)

ETBN ETBN Ethernet Train Backbone (ETB)

CS CS CS Ethernet Consist Network (ECN) CS CS CS

ED ED ED ED ED ED

Besonderheit: dynamische Netzkonfiguration auf L3 basierend auf URIs ETBN: Ethernet Train Backbone Node (Router) ED: End Device CS: Car Switch, Consist Switch (Ethernet Switch) Industrielle Bussysteme Teil 8 – Andere Feldbusse, L. Stiegler 19 5. Semester, Automation, 2015