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Stern oder Ring oder Bus

Text: Bradley Kennedy, Texas Instruments Fotos: GMVozd; Texas Instruments
Komponenten lassen sich im Netzwerk über unterschiedliche Topologien miteinander verbinden. Jede hat spezifische Vor-, aber auch Nachteile. Ein fundierter Überblick erleichert die Entscheidung.

Die Lebenszyklen von Industrienetzwerken werden in Jahren oder Jahrzehnten gemessen. Das setzt eine sorgfältige Planung voraus. Eine universelle Lösung, die für alle Anwendungsfälle ideal ist, gibt es nicht. Über welche Topologie zum Beispiel einzelne Komponenten im Netzwerk miteinander verbunden werden, entscheiden die konkreten Anforderungen jeder einzelnen Anwendung. Während im einen Fall eine Stern-Konfiguration optimal sein kann, ist im anderen Fall die Ring-Topologie vorzuziehen. Zu den Entscheidungskriterien gehören die Kommunikations-Charakteristika, der Umfang der Installation, das vorhandene Equipment, das Thema Sicherheit und die Kosten. Es gibt im Wesentlichen vier Konfigurationen mit verschiedenen Variationen und Kombinationen: Bus, Daisy-Chain, Ring und Stern.

Bus-Topologie

Diese Topologie besteht aus einer Art Hauptleitung (Backbone), die vom Anfang bis zum Ende durchläuft. Der im Vorfeld entstehende Planungsaufwand ist minimal, da sich praktisch überall ein neuer Anschluss einfügen lässt. Nachteil dieser Topologie: Der Zugriff aufs Netzwerk kann nicht garantiert werden. Jede angeschlossene Einheit muss auf eine Ruhephase warten, bevor sie selbst Daten senden kann. Gleichzeitig erfolgende Übertragungen werden abgebrochen und stoßen einen bestimmten Back-off-Mechanismus an, um einen gleichberechtigten Netzwerkzugriff zu gewährleisten. Dieses Prinzip ist auch Grundlage des CSMA/CD-Standards (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Die Latenzzeiten können hierbei allerdings sehr stark variieren, was für Echtzeitnetze nicht hinnehmbar ist. Zusätzlich können Netzwerkfehler auftreten, weil jede neue Verbindung die Signalintegrität beeinträchtigt.

Daisy-Chain-Topologie

Im Fall der Daisy-Chain-Topologie wird der erste Anlagenteil direkt mit dem Server oder Master-Controller verbunden. Jedes weitere Gerät wird an das vorherige angeschlossen. Der Nachteil: Leitungsunterbrechungen, Geräteausfälle oder andere in Upstream-Richtung befindliche Geräte können die Latenzzeit beeinflussen oder die in Downstream-Richtung folgenden Einheiten ganz vom Server isolieren. Die Gleichberechtigung beim Netzwerkzugriff gestaltet sich komplex und ist möglicherweise nicht einheitlich oder garantiert. Die Daisy-Chain-Topologie gehört zwar nicht zu den traditionellen Ethernet-Topologien. Mit entsprechender Steuerungs-Software, sorgfältigem Systemdesign sowie weitreichend deterministischen Produkten und Timing-Protokollen lassen sich jedoch durchaus effektive und effiziente Netzwerke aufbauen.Bei einer Daisy-Chain-Topologie kommen jeweils drei Daten-Ports zum Einsatz - eines in Upstream-Richtung, eines in Downstream-Richtung und eines zum Anschluss des lokalen Equipments. Ein Wechsel des Datenpfads ist mit komplexen Umschalt-Relais oder Multiplexer-Hardware möglich, jedoch können sich hierdurch erhebliche zusätzliche Laufzeiten und Zuverlässigkeitsprobleme einstellen. Während lokale Daten zwischen dem internen und einem externen Port übertragen werden, erfolgt der Transfer von Upstream/Downstream-Daten unter Umgehung des internen Ports zwischen den beiden externen Ports.

Ring-Topologie

Die Ring-Topologie hat �?hnlichkeit mit der Daisy-Chain-Topologie. Allerdings sind beide Enden der Kette hier an einen gemeinsamen Knoten angeschlossen, sodass ein vollständig geschlossener Ring entsteht. Erste Ethernet-Implementierungen auf der Basis von Koaxialkabeln basierten auf dieser Ringstruktur, für welche die Anbieter entsprechend geeignetes Equipment entwickelten. Standardmäßige Ethernet-Netzwerke unterstützen aber keine Ring-Topologie, sondern sehen genau einen aktiven Laufweg zwischen den End-Knoten vor. Alternative Pfade werden mit Routing-Tabellen, per Schleifenerkennung oder mithilfe von Spanning-Tree-Protokollen blockiert oder deaktiviert. Auf diese Weise verringert man die Chance, dass es zu einem Broadcast Storm kommt, der einer Rückkopplung in einer Audio-Verstärkeranlage ähnelt und das gesamte Netzwerk zum Stillstand bringt.Eine Ring-Topologie hat jedoch auch Vorteile: Es gibt immer eine Rückfallebene, Fehler werden schnell erkannt und es kann auf einen redundanten Laufweg gewechselt werden, was für viele industrielle Netzwerke entscheidend ist. Häufig sind bestimmte Equipment-Gruppen mit diskreten Ringen vernetzt, die wiederum zu größeren Ringen verbunden sind. Mehreren geschäftlichen Zwecken dienende Netzwerke können außerdem für das Netzwerk- oder Equipment-Reporting oder zur Überwachung des Betriebszustands verbunden sein.

Stern- oder Switch-Topologie

Bei einer Stern-Topologie führt von einem zentralen Knoten aus - meist handelt es sich dabei um eine Server- oder Kommunikationszentrale - je eine Leitung zu jedem angeschlossenen Computer. Diese Topologie eignet sich für typische Enterprise- oder Büro-Anwendungen mit kontrollierten Umgebungsbedingungen. Der Grund: Eine Kommunikationsunterbrechung, wie sie etwa durch versehentliches Lösen eines Kabels entstehen kann, betrifft stets nur einen Benutzer. Auch die elektromagnetischen Interferenzen, die zum Beispiel durch starke Motoren oder Maschinen hervorgerufen werden, sind bei dieser Topologie weniger ausgeprägt. Für kritische Verbindungen von einem Server zum anderen werden häufig redundante Laufwege vorgehalten, die durch Kabelkanäle an der Decke oder in der Wand verlaufen. Regelungen, wie sie in automatisierten Prozessen in der Industrie zum Einsatz kommen, sind nicht selten auf sehr deterministische Latenzen und kurze Failover-Zeiten angewiesen. Für komplette industrielle Installationen sind Stern-Topologien wegen der Kosten für die doppelte Verkabelung und der Latenzen auf der Switch-Ebene nicht besonders gut geeignet.

Die Wahl der richtigen Topologie

Nur selten eignet sich eine Topologie für alle Ebenen einer Installation. Oft ist es eine Kombination aus Ring-, Stern- und Daisy-Chain-Topologie, die unter dem Strich die besten Eigenschaften bietet. Es kommt darauf an, sich für eine ausgereifte, vertrauenswürdige und genau bekannte Basis zu entscheiden, die den Datenmanipulations-Aufwand zwischen den verschiedenen Topologien minimiert, ein rasches Netzwerkdesign und eine zuverlässige Installation ermöglicht und für die es einen großen Umfang an Support-Tools gibt. Die Verwendung einer vertrauten Netzwerktechnik wie Ethernet erzielt ein hohes Maß an Komfort und Vertrauen für Systemdesigner, Equipment-Hersteller, Netzwerkinstallateure und nicht zuletzt für die Menschen, die das Netzwerk letztendlich benutzen.Neben den Anforderungen, die auch an traditionelle Datennetze gestellt werden (hohe Übertragungsdistanz und Übertragungsrate sowie zuverlässiger Datentransfer) kommen bei industriellen Netzwerken die Umgebungsbedingungen und die Präzision der Datenübertragung sowie die Aspekte Sicherheit und Latenz hinzu. Die Gesamtlatenz des Systems ist ungefähr die Summe der Latenzen der Einzelkomponenten.

Mit Schwankungen zurechtkommen

Die Wahl der richtigen Architektur kann zum Determinismus zeitkritischer Systemdesigns beitragen und weitreichend deterministische Geräte und Timing-Protokolle wie etwa das IEEE 1588 Precise Time Protocol (PTP) befähigen die Systeme, mit entsprechenden Schwankungen zurechtzukommen. Der Einsatz von auf diesem Gebiet führenden, deterministischen Komponenten, macht das Systemdesign insgesamt einfacher.Mit der Verwendung von Komponenten, die sich durch robusten, fehlerfreien Betrieb auf langen Kabelstrecken, geringe Leistungsaufnahme, die Eignung für widrige Umgebungsbedingungen in Sachen Temperatur, Feuchte und EMI sowie Tauglichkeit für unterschiedliche Übertragungsmedien auszeichnen, können Systemintegratoren Lösungen anbieten, die sich für die Mehrzahl industrieller Netzwerke eignen.

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