Ethernet czasu rzeczywistego

W wielu zastosowaniach biurowych nie ma wielkiej różnicy, czy opóźnienie wynosi 5 s czy 500 ms. Jednakże w automatyce przemysłowej kluczowe znaczenie ma zakończenie wszystkich zadań związanych ze sterowaniem produkcją przed upływem określonego czasu. Dlatego też w przemyśle każda milisekunda jest bardzo istotna. Ponadto w przemyśle jest wymogiem, aby odpowiednio szybko reagować na różne zdarzenia. W niektórych procesach produkcyjnych dane muszą być sprawdzane co 5-20 ms, a jeśli wymagana jest jeszcze większa precyzja, czas ten może wynosić 2-5 ms. Ethernet w obecnej postaci nie spełnia tak rygorystycznych wymogów.

Stosowana w transmisji ethernetowej CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Carrier Detection) to technika dostępu do nośnika, która zakłada, że w danej chwili więcej niż jedna stacja może chcieć przesłać dane. W rezultacie doprowadza to do kolizji i nie pozwala na skalkulowanie czasu między momentem rozpoczęcia transmisji a poprawnym odbiorem pakietu. Kolizje wymuszają ponowną transmisję danych, co powoduje opóźnienia przekazu, a to jest nie do zaakceptowania w warunkach fabrycznych.

We wszystkich systemach opartych na magistrali, zwanych czasami systemami Multi Master, trzeba, oczywiście, uwzględniać możliwość, że więcej stacji zechce uzyskać dostęp do magistrali.

Jak więc rozwiązać problem pracy w czasie rzeczywistym w "fabrycznym" Ethernecie?

Pierwsza propozycja to wybór metody Token Passing, która pozwala na uzyskanie deterministycznego charakteru sieci, co w praktyce oznacza, że opóźnienie transmisji będzie w pełni przewidywalne. Zasada działania opiera się na tzw. tokenie (żetonie), który krążąc pomiędzy stacjami sieciowymi, daje prawo dostępu do magistrali tylko tej, która w danej chwili nim dysponuje. Czas przetrzymania tokena przez daną stację jest ograniczony.

Inne rozwiązanie zakłada, że każda stacja biorąca udział w transmisji danych nadaje pakiety w odpowiednich momentach, tzw. szczelinach czasowych. W tej sytuacji dodatkowym gwarantem stałego poziomu opóźnień transmisji jest odpowiednia struktura sieci.

Spotyka się również podejście oparte na dokładnej synchronizacji czasowej jednostek sieciowych. Do tego celu stosuje się przeprowadzane w warstwie 2 znakowanie czasowe (time stamping) przychodzących i wychodzących pakietów. Opóźnienie w takiej sieci jest uzależnione od jej obciążenia, czasu zrywania połączenia, rozmiaru pakietu i architektury. Dodatkowo wymienia się również wykorzystanie protokołu SNTP (Simple Network Time Protocol) lub NTP (Network Time Protocol). W tym wypadku serwer SNTP/NTP ma zegar odniesienia, wykorzystujący GPS i fale radiowe lub wewnętrzny zegar systemowy. Problemem synchronizacji w sieciach Ethernet zajmuje się również grupa 1588 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), a realizowany przez nią projekt ma zapewnić synchronizację pomiędzy stacjami z dokładnością do 1µs. Wymaga to zastosowania odpowiedniego protokołu powyżej warstwy fizycznej, którą również trzeba będzie być poddać drobnym modyfikacjom.

Niektóre firmy, takie jak Beck IPC, proponują własne rozwiązania Ethernetu czasu rzeczywistego do zastosowania w automatyce przemysłowej. Beck IPC opiera się na protokole MpRAM, określającym globalny obraz zachodzących procesów dla wszystkich dołączonych stacji. Rozwiązanie wykorzystuje technikę wirtualnego Token Passing i zapewnia przewidywalny czas odpowiedzi. Zaletą MpRAM jest zdefiniowanie w procesie konfiguracji stałej długości wiadomości oraz stałego czasu odpowiedzi. System stosuje model konsument/producent, w którym stacja przesyła dane do wszystkich. Odbiorcy wiadomości sami decydują, czy są nimi zainteresowani. Listę jednostek sprawdza się w każdym cyklu, aby mieć pewność, że wszystkie skonfigurowane stacje są aktywne.

EasyIP - inny protokół stosowany przez produkty firmy Beck IPC - wykorzystuje model klient/serwer, w którym pakiety są przesyłane pomiędzy poszczególnymi stacjami. EasyIP redukuje obciążenie w Ethernecie, predefiniując ilość danych, które mogą zostać przetransportowane przez sieć.