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Nachrichtentechnik, 5. SemesterT2ELN3851.1

Rechnerkommunikation und Vernetzung

Übungen

Edition 1.0, Juli 2015Autor: Stephan Rupp

S. Rupp, 2015 Übungen_Rechnerkommunikation_und_Vernetzung � /�1 48


Inhaltsverzeichnis1. Eine Nachricht schicken 4

2. Rahmenprotokoll 4

3. Netztopologie 6

4. Verfügbarkeit 7

5. Verpackungsmüll (Protocol Overhead) bei VoIP 8

6. Ethernet basierte Feldbusse 9

7. Anlagensteuerung 10

8. Regler mit Anzeige 18

9. Topologie-Erkennungsdienst 20

10. Vorfahrt für Prozessdaten 23

11. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 24

12. Feldbus 25

13. Ablaufwarteschlange 29

14. Verfahrene Situationen 30

15. Task-Synchronisation 31

16. Ein weiterer Feldbus 32

17. Model View Control 33

18. CAN Open als Feldbus 36

19. Synchronisation von Antrieben 37



1. Eine Nachricht schickenWähle eine Entfernung zwischen den Standorten A und B, sowie eine Ausbreitungs-

geschwindigkeit für elektromagnetische Wellen im Medium zwischen A und B. Wie lange benötigt ein Signal für die Entfernung zwischen A und B (Signallaufzeit, engl. propagation delay)?

Wähle eine Größe der Nachricht (in Bytes), sowie eine Übertragungsrate (in bit/s). Wie lange benötigt die Übertragung der Nachricht bei A (Übertragungsdauer, engl. transmission delay)? Wie lässt sich die Übertragungsdauer minimieren?

�

Den Empfang der Nachricht bestätigt B durch Senden einer Quittung zurück an A (acknowledge). Unter der Annahme einer Nachrichtenlänge (in Bytes) für die Quittung, wie lange dauert es vom Senden der Nachricht von A bis zum Empfang der Quittung?

Diskutiere den Einfluss der Verzögerungen durch Laufzeit und Übertragungsrate für unterschiedliche Anwendungen mit unterschiedlich großen Nachrichten: interaktive Spiele, Telefongespräche, SMS, Datei-Transfers, E-Mail. Welchen Einfluss haben Verzögerungen auf die Übertragung von Audio (Musik) und Video?

Wie würde man in der Praxis Nachrichten mit Daten von A nach B transportieren? Können auf dem Weg von A nach B Nachrichten durch Störungen verfälscht werden bzw. Nachrichten verloren gehen? Was tut man für solche Fälle und in solchen Fällen?

2. RahmenprotokollEine Datenmenge von insgesamt 10 000 Bytes sollen über eine Luftschnittstelle

übertragen werden, die eine Bitfehlerrate von 10E-4 hat. Hierzu wird ein Rahmenprotokoll verwendet (HDLC Protokoll (High Level Data Link Control) mit folgenden Parametern:

• Fall I): Jeder Rahmen fasst 128 Bytes an Daten• Fall II): Jeder Rahmen fasst 512 Bytes an Daten

In beiden Fällen gilt: Sofern bei der Übertragung ein Fehler passiert ist (was der Empfänger mit Hilfe einer Prüfsumme festgestellt kann), sollte der betroffene Rahmen nochmals gesendet werden. Für das Übertragungsprotokoll ist pro Rahmen ein Nachrichtenkopf (engl. header) von 6 Bytes vorgesehen.

Frage 1: Wie viele Rahmen müssen in den beiden Fällen I und II insgesamt übertragen werden (inklusive der wegen Übertragungsfehlern wiederholten Rahmen)?

A B

Message

Acknowledge

Sonntag, 5. Februar 12



Frage 2: Wie lange dauert die Übertragung in beiden Fällen über einen Kanal mit einer Übertragungsrate von 32000 bit/s (Laufzeiten für Quittungen und Wartezeiten nicht eingerechnet)?

Frage 3: Welcher der beiden Fälle ist in Bezug auf die insgesamt pro Sekunde transportierte Menge an Nutzinformationen effizienter?

Frage 4: Welcher der beiden Fälle wäre effizienter, wenn die Bitfehlerrate 10E-6 beträgt?

Lösungen:

Frage 1 Fall I):

• Benötigte Rahmen = 10000 / 128 = 78,125 => 79 Rahmen

• Anzahl Bytes = 10000 + 79 * 6 = 10474 Bytes

• Anzahl Bits = 10747 * 8 = 83792 bit

• Anzahl Fehler = 83792 * 10E–4 = 8,38 => 9 fehlerhafte Rahmen

Anzahl benötigter Rahmen (inkl. fehlerhafter Rahmen) = 79 + 9 = 88 Rahmen

Frage 1 Fall II):

• Benötigte Rahmen = 10000 / 512 = 19,53 => 20 Rahmen

• Anzahl Bytes = 10000 + 20 * 6 = 10120 Bytes

• Anzahl Bits = 10120 * 8 = 80960 bit

• Anzahl Fehler = 80960 * 10E–4 = 8,1 => 9 fehlerhafte Rahmen

Anzahl benötigter Rahmen (inkl. fehlerhafter Rahmen) = 20 + 9 = 29 Rahmen

Frage 2 Fall I)

• Anzahl Bytes (inkl. fehlerhafter Rahmen) = 10474 + 9 * (128 + 6) = 11680 Bytes

• Anzahl Bits = 11680 * 8 = 93440 bit

Übertragungsdauer = 93440 / 32000 = 2,92 s

Frage 2 Fall II):

• Anzahl Bytes (inkl. fehlerhafter Rahmen) = 10120 + 9 * (512 + 6) = 14782 Bytes

• Anzahl Bits = 14782 * 8 = 118256 bit


Frage 3 Fall I):

• Bytes (eff.) pro Sekunde = 10000 / 2,92 = 3424,66 Bytes pro Sekunde

• Bits (eff.) pro Sekunde = 3424, 66 * 8 = 27397,28 bit/s (eff.)



Frage 3 Fall II):

• Bytes (eff.) pro Sekunde = 10000 / 3,7 = 2702,70 Bytes pro Sekunde

• Bits (eff.) pro Sekunde = 2702, 70 * 8 = 21621,6 bit/s (eff.)

Antwort auf Frage 3: Fall I ist effizienter.

Frage 4) Bei einer Bitfehlerrate von 10-6 erhält man in beiden Fällen einen fehlerhaften Rahmen (siehe Antworten zu Frage 1).

Frage 4) Fall I:

• Anzahl der Bytes (inkl. fehlerhafte Rahmen) = 10474 + 1 * (128 + 6) = 10608 Bytes

• Anzahl der Bits = 10608 * 8 = 84864 bit


Frage 4 Fall II:

• Anzahl der Bytes (inkl. fehlerhafte Rahmen) = 10120 + 1 * (512 + 6) = 10638 Bytes

• Anzahl der Bits = 10638 * 8 = 85104 bit


Antwort auf Frage 4): Beide Rahmengrößen sind vergleichbar effizient.

3. NetztopologieBeschreibe die in der folgenden beiden Abbildung gezeigten Netzwerke. Worin bestehen

die Unterschiede? Was könnte man unter dem Begriff „Topologie“ verstehen?

Nachrichten über das Netz schicken: Wähle zwei Endpunkte A und B für den Versand einer Nachricht. Auf welchem Weg gelangt die Nachricht von A nach B? Wie kann das Netz die Nachricht eigenständig von A nach B befördern?

Wie wird eine Route ausgewählt? Wie geht man vor, wenn mehrere Wege von A nach B führen?



�

�

4. VerfügbarkeitEin experimentelles System (File Server) hat eine Verfügbarkeit (engl. availability) von

80%, d.h. in 20% der Zeit steht das System still und funktioniert nicht. Um die

Wald-friedhof

Marienplatz

Möhringen

MöhringenFreibad

Vaihinger Str.Degerloch

Waldau

Charlottenplatz

Staatsgalerie

BerlinerPlatz

Stöckach

Berg-friedhof

Mineral-bäder

Ruhbank(Fernsehturm)

Wasenstr.Wangener-/

Landhausstr.

NeckarPark(Stadion)

Pragsattel

Hohensteinstr.

Löwentor

Gerlingen

Giebel

Killesberg

Türlenstr.

Eckartshaldenweg(Pragfriedhof)

Hölderlinplatz

Botnang

MönchfeldStammheim

Rosen-steinbrücke

U6U7

U13U15

U4 U9

U3 U5U6 U8 U12

U4

U1 U2

U4 U9

U11 U14

U1

U1 U2

U4 U11

U1 U14

U6 U13

U5

U6

U7

U12

U8

U7

U15

U7 U8 U15

U3 U8 U12U5 U6

U8 U12

U9

U4

U13

U13

U5 U6U7 U12U15

U9 U11U14

U9 U11U14

U5

U6

U7

U12

U2 U4U11 U14

Wilhelmspl.

Neugereut

Bopser

Weinsteige

SüdheimerPlatz

Olgaeck

HeslachVogelrain

Plieningen

Fasanenhof Schelmenwasen

Heumaden

Hedelfingen

NellingenOstfildern

Fellb. Lutherkirche

U15

NeckargröningenRemseck

U13

Nürn-berger Str.

Zuffenhausen

Feuerbach

StadtmitteFeuersee

Universität

Österfeld

Rohr

Goldberg

Hulb

Ehningen

Gärtringen

Nufringen

Oberaichen

Leinfelden

Echterdingen

Untertürkheim

Neckarpark (Mercedes-Benz)

Mettingen

Oberesslingen

Zell

Altbach

Obertürkheim

Maubach

Nellmersbach

Winnenden

Schwaikheim

Neustadt-Hohenacker

WaiblingenFellbach

Sommer-rain

Neuwirtshaus(Porscheplatz)

Korntal

WeilimdorfDitzingen

Höfingen

Rutesheim

Renningen

Malmsheim

Rommelshausen

Stetten-Beinstein

Endersbach

Beutelsbach

Grunbach

Geradstetten

Winterbach

Weiler

LudwigsburgKornwestheim

Tamm Asperg Benningen (N)

Freiberg (N)

Favoritepark

Esslingen (N)

Leonberg Nordbahnhof

BadCannstatt

Vaihingen

Marbach (N)

Plochingen

Wernau (N)

Wendlingen (N)

Ötlingen

SindelfingenSchorndorf

Herrenberg

Bietigheim

Weil der Stadt

Backnang

Schwabstraße

Flughafen / MesseFilderstadt Kirchheim (T)

Haupt- bahn- hof

Maichingen

Böblingen

© VVS 12.2011 Kundendialog DB Regio Baden-Württemberg: 0711 2092 7087 www.bahn.de/s-bahn-stuttgart Bahn Stuttgartim Auftrag des

vvs BAHNS-Bahn-Liniennetz



Systemverfügbarkeit zu verbessern, soll ein zweites, baugleiches System parallel betrieben werden, so, dass alle Daten auf beiden Systemen verfügbar sind.

�

Frage 1: Wie groß die Verfügbarkeit des Gesamtsystems?

Frage 2: Bei hochverfügbaren Systemen wie z.B. in den Telefonnetzen wird die Verfügbarkeit mit 99,999% angegeben (die sogenannten „5 Neunen“). Wie viele Minuten im Jahr ist ein solches System nicht verfügbar?

Frage 3: Wenn ein solches System (siehe Frage 2) mit Servern aufgebaut wird, deren Verfügbarkeit nur 99% beträgt, wie viele solche Server werden im Parallelbetrieb benötigt?

5. Verpackungsmüll (Protocol Overhead) bei VoIPUm Voice over IP (VoIP) Pakete zu übertragen, werden Sprachsamples abgetastet und

digitalisiert, kodiert und schliesslich in VoIP Pakete gepackt, zusammen mit den Paketköpfen (engl. headers). Die Verpackung muss natürlich mit übertragen werde und erhöht das Daten-volumen. Als Verpackungsanteil (engl. protocol overhead) wird das Verhältnis der Verpackungs-bits (Header) zu den Nutzdaten (Sprachbits) bzw. zum gesamten Paket bezeichnet.

�

Frage 1: Berechnen Sie den Verpackungsanteil (Protocol Overhead) für eine VoIP Anwendung unter den folgenden Bedingungen: 8000 Abtastwerte pro Sekunde (Abtastrate 8 k samples/s), Kodierung mit 8 Bits pro Abtastwert (PCM). Jedes Packet fasst 10 ms an

7.1 Part One (Chapters 1, 3, and 6) 215

7 Exercises

Exercises are organised in two different levels with different dephts: Partone provides a basic level of exercises. For part one, lecture of chapter 1 (net-works), chapter 3 (distribution) and chapter 6 (security) is sufficient. Part twoof the exercises covers the whole book including the remaining chapters andrequires a deeper level of expertise.

7.1 Part One (Chapters 1, 3, and 6)

7.1.1 System Availability

An experimental system (file server) has an availability of 80%, i.e. the ave-rage down time is 20%. In order to improve the system availability, it is fore-seen to replicate the the data on a system of the same kind and to operate bothin parallel.

Question 1.1: What is the over all system availability after this measure?

Question 1.2: Systems in telecommunication networks are called “carriergrade” if their availability is better than 99,999%, i.e. their downtime isbelow one hour per year. In order to achieve this figure, how big needsthe availability of a single server to be in the replicated configurationshown above?

7.1.2 Mobile Terminating Call

When calling a mobile subscriber, the network elements communicate witheach other according to the scenario as shown in the figure. A mobile networkoperator is estimating the number of transactions and volume of data which isused for this procedure. Such an estimation represents a foundation for the bas-dimensioning of the network elements.

For his network, the network operator is using the following assumptions: - 50 million subscribers

File Server 1 File Server 2 System

7.2 Part Two (Complete Book) 239

In order to transmit Voice over IP packets, voice samples are digitised, co-ded and put as payload into IP packets, together with the packed header. Theration of the header information to the payload is called packet overhead.

Question 1: Calculate the packet overhead of voice, which is digitised at asampling rate of 8 kilo samples per second and coded with 8 bits per sample(which corresponds to a continuous bitrate of 64 kBits/s), under the condition,that each packet is 10 ms long and that the IP header is 40 Bytes (which cor-responds to the IPv6 header shown in the figure). Further overhead which isintroduced by higher protocol layers (such as RTP or UDP) for time-stampsand packet sequence numbers is neglected.

Question 2: Calculate the packet overhead under the condition, that beforepackaging, voice is compressed from 64 kbits/s to 8 kbits/s. What is the totalamount of data to be transmitted per second?

7.2.4 Shopping carts

A super market has one check-out desk in service. One check-out desk canhandle 6 customers per minute (on average). At the busy hour, there are 10customers per minute (on average) arriving with their shopping carts at thecheck-out.

Question 1: What will happen?Question 2: The management immediately reacts to the situation and opens

a second check-out desk. How many customers can now be handled with 2check-out desks? Explain, why the service rate will always need to be higherthan the arrival rate and why a utilisation factor of 1 (service rate equals arrivalrate) cannot be achieved.

Question 3: Same situation as in question 2 (i.e. 2 check-out desks in opera-tion). Under the assumption, that customers are driven to the check-out accor-ding to a Poisson-type of process, how many customers are in the system (inthe queue and being served) on average?

7.2.5 Output Buffer

At the output interface of a system, messages are exchanged with anothernetwork element. A buffer is used to queue messages until they have been

Codec

10 ms

voiceheader

Vers.Traffic Cl. Flow LabelPayload Lenght Next H. Hop Limit

Source Address

Destination Address

IPv6 header



Sprachdaten. Es wird IPv6 als Protokoll verwendet: Wie in der Abbildung gezeigt, ist der Paketkopf (header) 40 Bytes groß.

Frage 2: Wie groß ist der Verpackungsanteil, wenn man den zusätzlichen Overhead durch die höherwertigen Protokolle ebenfalls berücksichtigt? Kalkulieren Sie UDP und RTP mit ein.

Frage 3: Welche Funktion haben die höherwertigen Protokollschichten UDP und RTP? Könnte man auf diese verzichten?

Frage 4: Die Übertragung könnte man deutlich wirtschaftlicher gestalten, indem man mehr Sprachdaten in jedes Paket packt, also längere Intervalle als 10 ms überträgt. Was spricht gegen längere Sprachintervalle pro Paket? Bringt eine Kompression der Sprach-daten z.B. mit 10 kbit/s statt 64 kbit/s irgendwelche Vorteile?

6. Ethernet basierte FeldbusseEs werden N=10 Switches in Serie betrieben. An jedem der Switches ist ein lokaler

Controller angeschlossen, sowie eine Kamera. An Anfang und am Ende der Kette befinden sich Anschlüsse an lokale Netze (LAN) mit regulärem Ethernet-Verkehr. Zur bevorzugten Behandlung der Prozessdaten (Daten, die zwischen den lokalen Controllern ausgetauscht werden), stehen folgende Verfahren zur Auswahl:

• (a) Verkehrsklassen mit Priorisierung der Prozessdaten (QoS) • (b) Zeitmultiplex mit alternierenden Segmenten (1) nur Prozessdaten, (2) alle

anderen Daten • (c) Sammelpaket: alle Prozessdaten werden in einer geeigneten Struktur in den

Bereich der Nutzdaten im Ethernet-Rahmen gepackt. Der Datenaustausch pro Switch erfolgt durch spezielle Hardware während der Weiterleitung der Rahmen.

��

Verkehrsmodell: Es wird Fast Ethernet mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s verwendet. Für Video und allgemeinen Verkehr werden die maximal möglichen Rahmenlängen angenommen. Die Prozessdaten betragen 250 Bytes pro lokalem Controller und lassen sich in Rahmen der Länge 256 Bytes übertragen. Für die Weiterleitung der Rahmen wird pro Switch eine Verarbeitungszeit (Latenz) von 0,01 ms angenommen.

Ethernet basierte FeldbusseEs werden N=10 Switches in Serie betrieben. An jedem der Switches ist ein lokaler

Controller angeschlossen, sowie eine Kamera. An Anfang und am Ende der Kette befinden sich Anschlüsse an lokale Netze (LAN) mit regulärem Ethernet-Verkehr. Zur bevorzugten Behandlung der Prozessdaten (Daten, die zwischen den lokalen Controllern ausgetauscht werden), stehen folgende Verfahren zur Auswahl:

(a) Verkehrsklassen mit Priorisierung der Prozessdaten (QoS)

(b) Zeitmultiplex mit alternierenden Segmenten (1) nur Prozessdaten, (2) alle anderen Daten

(c) Sammelpaket: alle Prozessdaten werden in einer geeigneten Struktur in den Bereich der Nutzdaten im Ethernet-Rahmen gepackt. Der Datenaustausch pro Switch erfolgt durch spezielle Hardware während der Weiterleitung der Rahmen.

… 2 1 N

Verkehrsmodell: Es wird Fast Ethernet mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s verwendet. Für Video und allgemeinen Verkehr werden die maximal möglichen Rahmenlängen angenommen. Die Prozessdaten betragen 250 Bytes pro lokalem Controller und lassen sich in Rahmen der Länge 256 Bytes übertragen. Für die Weiterleitung der Rahmen wird pro Switch eine Verarbeitungszeit (Latenz) von 0,01 ms angenommen.

Frage 1: Berechnen Sie für das Verfahren (a) überschlägig die Laufzeitschwankungen am Ende der Kette für den unter den folgenden Annahmen: maximale Paketlänge (1) 9000 Bytes, (2) 1500 Bytes, (3) 512 Bytes.

Frage 2: Berechnen Sie zum Vergleich überschlägig Verfahren (b).

Frage 3: Berechnen Sie überschlägig zum Vergleich Verfahren (c).

Bemerkung: Excel-Formular zur Kalkulation

Communications Engineering, 6th Term, Exercises on Networks

S. Rupp, 2012 Exercises_Networks_V01 1



Frage 1: Berechnen Sie für das Verfahren (a) überschlägig die Laufzeitschwankungen am Ende der Kette für den unter den folgenden Annahmen: maximale Paketlänge (1) 9000 Bytes, (2) 1500 Bytes, (3) 512 Bytes.

Frage 2: Berechnen Sie zum Vergleich überschlägig Verfahren (b).

Frage 3: Berechnen Sie überschlägig zum Vergleich Verfahren (c).

7. AnlagensteuerungAufgabe 1 - Kommunikationsprotokolle

Zur Kommunikation zwischen Stationsleitgeräten, Steuergeräten auf Feldebene und Geräten auf Prozessebene soll ein Feldbus verwendet werden. Der Feldbus basiert auf den in der Abbildung wiedergegebenen Protokollen.

�

Frage 1.1 (6 Punkte): Erläutern Sie die im Bild wiedergegebenen Funktionen und Protokollschichten.

(1) Die Anwendung kommunizierten Daten nach vorgegebenen Datenmodellen.

(2) Abstrakte Kommunikationsdienste können auf Protokollschichten abgebildet werden (Mapping).

(3) Als Kommunikationsprotokolle werden Ethernet und IP-basierte Protokolle eingesetzt: (3a) einerseits direkt über Ethernet (Schicht 2), (3b) andererseits über einen kompletten TCP(IP Stack (Schicht 4 und 3), dem ein anwendungsorientiertes Protokoll überlagert ist (MMS).

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Date: 26.03.2012 Tobias Gruber, 2012

3 Systemkommunikation

Datenmodell (Datenstruktur, Kommunikationsdienste)

GOOSEAbtastwerte (Samped

Values – SV)Client-Server-Dienste

Mapping (Abbilden auf Kommunikationsmittel)

Ethernet physical layer

Ethernet link layer

IP

TCP

MMS

MMS

MMS

ISO

/OSI

7-S

chic

hten

-M

odel

l

1

2

3

4

5

6

7

Zeitkritische Dienste (Echtzeitanforderungen)

(a) Schutzgeräte und Datenerfassung mit hohen Abtastraten

(b) Steuern und Überwachen

Abtastwerte (Sampled Values)

Schutzgeräte (GOOSE)

Client-Server Dienste



Frage 1.2 (6 Punkte): Die zu übermittelnden Daten sind nach Funktionen aufgeteilt in (a) Schutzgeräte und Datenerfassung mit hohen Abtastraten, (b) Steuern und Überwachen. Erläutern Sie die Unterschiede in der Realisierung und mögliche Gründe für die Aufteilung.

• Unterschiede: Schutzgeräte erfordern kurz Reaktionszeiten und verzichten daher auf dem Komfort höherer Protokollschichten. Messungen mit hohen Abtastraten (z.B. im Bereich einiger kHz) erfordern ebenfalls kurze Reaktionszeiten und bilden daher direkt auf Schicht 2 ab

• Für Regelung und Überwachung dagegen steht weniger das zeitkritische Verhalten im Vordergrund, als die sichere und zuverlässige Kommunikation, wie beispielsweise durch TCP oder Socket-Verbindungen gegeben. Für Fernwirktechnik ist ist eine netzweite Reichweite erwünscht, wie durch IP gegeben.

Frage 1.3 (4 Punkte): Welche Daten sind unmittelbar tauglich für Weitverkehrsnetze, welche Daten verbleiben vom Protokoll aus betrachtet im lokalen Netz?

• Ethernet (Schicht 2): lokale Netze (Ethernet-Switches arbeiten mit MAC-Adressen, d.h. Geräteadressen). Da Schutzgeräte lokal wirken, bedeutet das keine Einschränkung. Messdaten müssen für die netzweite Übertragung von einem Datensammler im lokalen Netz aus in ein IP-Netz eingespeist werden.

• IP (Schicht 3): netzweit verfügbar (innerhalb verwendeten privaten oder öffentlichen des IP-Adressraums). Steuern und Überwachen = Fernwirktechnik, benötigt große Reichweite.

Aufgabe 2 - NachrichtenaustauschZum Lesen und Schreiben von Datenobjekten werden Nachrichten nach einem

vorgegebenen Muster ausgetauscht.



�

Frage 2.1 (6 Punkte): Rekonstruieren Sie dieses Muster für den Nachrichtenaustausch aus dem Sequenzdiagramm in der Abbildung.

Das Muster für den Nachrichtenaustausch arbeitet in 3 Phasen: (1) Select - Auswahl einer Funktion, (2) Operate - Ausführen einer Instruktion, (3) Report - Bericht über das Ergebnis der Ausführung. In den Phasen (1) und (2) sind Nachrichten für die Anforderungen (Request) und die Quittierung der Anforderung (Response) vorgesehen.

Frage 2.2 (6 Punkte): Welche weitere Vereinbarungen sind erforderlich, damit der Aufruf von Methoden zwischen den Geräten funktionieren kann?

(1) Wenn die Methodenaufrufe über ein Netz erfolgen, ist eine Pfadangabe erforderlich, bestehend aus Protokoll, Netzadresse und Objektname (für die Methode). Eine solche Pfadangabe kann in einem IP-Netz beispielsweise durch eine URL erfolgen, bzw. ein TCP-Socket bzw. UDP-Socket.

(2) Ausserdem sind Vereinbarungen über den Methodenaufruf erforderlich, d.h. die Namen der Methode, der Übergabeparameter, der Rückgabewerte und die jeweils zugehörigen Datentypen.

Aufgabe 3 - EchtzeitverhaltenDie Steuergeräte kommunizieren über eine Kette von Ethernet-Switches. Auf Schicht 2

variieren die Paketlängen zwischen 64 Bytes pro Nachricht und maximal 1500 Bytes pro Nachricht. Es wird Fast Ethernet verwendet (100 Mbit/s). Die Prozessdaten verwenden stets kurze Pakete von 64 Bytes.

3 Der Standard IEC61850 Seite 23

Abb. 12: Sequenzdiagramm zur Kommunikationsveranschaulichung

aufbauend auf [Sch04], [IEC10-a] und [ABB10]

Zunächst sendet das Stationsleitgerät eine Anfrage, um die Betriebsbereitschaft des Leis-

tungsschalters zu überprüfen. Diese Anfrage geht zuerst an die Schaltersteuerung, die wiede-

rum eine Anfrage an den Leistungsschalter sendet (1. → 2. → 3.). Die Anfrage wird durch

den Leistungsschalter überprüft (check()) und eine Antwort mit dem positiven Betriebszu-

stand erst wieder an die Schaltersteuerung und dann von dieser an das Stationsleitgerät ge-

schickt (3. → 4.).

Anschließend sendet das Stationsleitgerät einen Befehl zum Schalten (OperateRequest(on)) analog der Betriebszustandsabfrage. Nach der Aktivierung des Antriebes schickt der Leis-

tungsschalter eine Nachricht an die Schaltersteuerung zurück, dass der Auftrag ausgeführt

wird. Nach dem erfolgten Schalten des Leistungsschalters, erfolgt eine spontane Meldung des

Wertes mit dem neuen Schaltzustand des Schalters(Report(on)) von 9. → 10.

3.5 Konfigurationssprache

Um ein IEC61850-System normkonform zu modellieren, muss für alle beteiligten Geräte eine

logische Struktur definiert werden.

Zur logischen Struktur gehören u. a. folgende Punkte:

Welche optionalen Daten werden realisiert

sd Exemplarisches Sequenzdiagramm

Stationsleitgerät(LN: IHMI)

Schaltersteuerung(LN: CSWI)

Leistungsschalter(LN: XCBR)

1. SelectRequest (on)

2. SelectRequest (on)

check()

3. SelectResponse +()

4. SelectResponse +()

5. OperateRequest (on)

6. OperateRequest(on)

7. OperateResponse +()

8. OperateResponse +()

9. Report (on)

10. Report (on)



�

Frage 3.1 (6 Punkte): Es wird überlegt, ob ein Best Effort Verfahren genügt (Fall (a), linker Teil der Abbildung) oder eine Einteilung in 2 Verkehrsklassen mit Priorisierung eingeführt werden soll (Fall (b), rechter Teil der Abbildung). Erläutern Sie beide Verfahren sowie die Unterschiede.

(1) Best Effort Verfahren: Alle Pakete bzw. hier Ethernet-Rahmen werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens an den Ausgangsport gegeben. Ein kurzer Rahmen mit zeitkritischen Prozessdaten wird daher am Ausgangsport unter Umständen hinter langen Rahmen mit Überwachungsinformationen oder sonst welchen Daten, die nicht zeitkritisch sind.

(2) Quality-of-Service Verfahren: Es werden mehrere Klassen von Daten eingeführt, beispielsweise Klasse 1: Prozessdaten, Klasse 2: alle anderen Daten. Rahmen mit Prozess-daten werden markiert (z.B. Tag, Eintrag im Type-of-Service Feld) und in den Switches bevorzugt behandelt. Die Bevorzugung besteht in der Einordnung der Prozessdaten in einer höher priorisierten Warteschlange am Ausgangsport (Prio 1 Schlange). Somit wird die Dauer der Abfertigung von der Reihenfolge des Eintreffens entkoppelt. Dadurch wird die Situation vor allem bzgl. die langen, niedrig priorisierten Rahmen verbessert (Prio 2 Schlange). Beim Arbeiten mit mehreren Verkehrsklassen (Quality-of-Service Verfahren), wird in jedem Knoten (Switch) der Verkehr gemäß Verkehrsklassen neu sortiert.

Frage 3.2 (6 Punkte): Die Signalkette enthält bis zu 10 Knoten (Switches), wobei jeder Knoten über 3 Eingangsports verfügt, über die sowohl regulärer Verkehr als auch Prozessdaten kommuniziert werden. Vergleichen Sie die maximalen Laufzeitschwankungen für beide Verfahren (Fall (a) und Fall (b)) aus der Perspektive der Prozessdaten.

Bei 3 Eingangsports besteht der ungünstigste Fall darin, dass an jedem Fall ein maximal langer Rahmen mit unkritischen Daten eintrifft, bevor an einem der Ports ein kurzer Rahmen mit kritischen Prozessdaten eintrifft. (Bemerkung: Vorausgesetzt, die Ankunftsrate ist niedrig im Vergleich zur Service-Rate, d.h. Systemausnutzung unter 50%, andernfalls kann es beliebig lange Warteschlangen an den Eingangsports geben).

Fall (a), Best Effort: Anordnung am Ausgangsport gemäß Reihenfolge beim Eintreffen, d.h. der Rahmen mit Prozessinfo kommt erst auf die Leitung, nachdem die 3 langen Rahmen übertragen sind. Im ungünstigsten Fall bei 10 Knoten: 3 * 10 * Latenz (1500 Bytes bei 100 Mbit/s) = 30 * 0,120 ms = 3,6 ms. In der Realität ergeben sich Laufzeitschwankungen bis zu diesem Wert.

Fall (b), Quality-of-Service mit 2 Verkehrsklassen: Die drei langen Rahmen mit unkritischen Daten landen in der Reihenfolge ihres Eintreffens in der Prio 2 Schlange am Ausgangsport. Der Rahmen mit Prozessdaten wird nach Eintreffen in der Prio 1 Schlange platziert. Zu diesem Zeitpunkt ist allerdings einer der langen Rahmen bereits in Bearbeitung. Allerdings erfolgt die Übertragung des Rahmens mit Prozessdaten unmittelbar dann, wenn

1

2

3

Eingangsports

Prio 1

Ausgangsports

Prio 2

(b) Quality of Service

1

2

3

Eingangsports Ausgangsports

(a) Best Effort



diese Übertragung beendet ist. Der Rahmen mit Prozessdaten kommt somit auf die Leitung, sobald 1 langer Prio 2 Rahmen übertragen ist. Im ungünstigsten Fall bei 10 Knoten: 1 * 10 * Latenz(1500 Bytes bei 100 Mbit/s) = 10 * 0,120 ms = 1,2 ms.

Verbesserung von (b) gegenüber (a): Latenz(b)/Latenz(a) = 3

Frage 3.3 (6 Punkte): Durch welche Massnahmen lassen sich die Laufzeitschwankungen weiter reduzieren?

• Reduktion der Knoten in Reihe (z.B. weniger als 10 Switches in der Kette)

• Reduktion der Eingangsports (z.B. 2 statt 3 Eingangsports)

• Einschränkungen der maximal erlaubten Rahmenlänge (z.B. max 512 Bytes pro Rahmen)

• Erhöhung der Übertragungsrate (z.B. 1Gbit/s statt 100 Mbit/s)

• Einsatz von Sammelpaketen (vgl. Ethercat)

• Zeitmultiplex (vgl. Profinet)

Aufgabe 4 - RedundanzTeil 1

Zur Verbesserung der Ausfallsicherheit wird die lineare Verbindung zwischen den Switches auf eine Ringkonfiguration erweitert. Die Netztopologie bleibt hierbei linear, d.h. es gibt eine physikalisch vorhandene Reserveverbindung.

�

Frage 4.1 (8 Punkte): Beschreiben Sie, was beim Ausfall einer Verbindung geschieht (d.h. den Übergang auf den in der Abbildung links gezeigten Zustand auf den Zustand rechts).

(1) Überwachung der Funktion des Ringes durch einen ausgewählten Switch (den RPL-Owner): beispielsweise durch Senden und Empfangen von von Kontrollnachrichten in beiden Richtungen (auch über die für regulären Verkehr nicht benutzte Reserveverbindung).

(2) Ausfall einer Verbindung: Wird durch die Überwachung (vom RPL-Owner) bemerkt.

(3) Aktivieren der Reserveverbindung

(4) Inbetriebnahme der neuen Topologie (z.B. durch Spanning-Tree Algorithmus)

Frage 4.2 (6 Punkte): Welchen Nachteil hat dieses Verfahren bzgl. des Echtzeitverhaltens des Netzes?

(1) Das Verfahren ist mit Umschaltzeiten verbunden (Schritte (1) bis (4) oben, speziell Schritt (4) erfordert einige Zeit).

(2) Während dieser Zeit ist keine reguläre Zustellung des Verkehrs möglich. Zwar gehen für Anwendungen keine Daten verloren, da die höheren Protokollschichten diese nochmals

Ausgefallene Verbindung

RPLRPL

Owner

Reserve Verbindung(Ring Protection Link)



anfordern, allerdings werden während des Umschaltvorgangs vereinbarte Antwortzeiten nicht eingehalten. Somit ist ein Echtzeitbetrieb (= Einhaltung vereinbarter Antwortzeiten) nur sehr eingeschränkt möglich.

(3) Die Dauer der Umschaltung ist abhängig von der Topologie und Größe des Netzes.

Teil 2Zur Verbesserung des Echtzeitverhaltens schlägt der Hersteller der Switches die in der

folgenden Abbildung gezeigte Konfiguration vor.

�

Frage 4.3 (8 Punkte): Interpretieren Sie den Vorschlag und beschreiben Sie das Verhalten im Fehlerfall. Erläutern Sie die Vorteile und Einschränkungen gegenüber dem Verfahren aus Teil 1.

(1) Interpretation: Im Unterschied zu Verfahren aus Teil 1 werden zwei unabhängige Teilnetze in unterschiedlichen Richtungen betrieben. Die Teilnetze sind im Beispiel als VLAN realisiert. Die Redundanz wird im Endgerät erzeugt: Jede Nachricht (jeder Ethernet-Rahmen) wird dupliziert (A-Frame und B-Frame) und in die Teilnetze gegeben. Jedes Endgerät empfängt im Normalfall beide Rahmen und kann einen verwerfen.

(2) Verhalten im Fehlerfall: Bei Ausfall einer Verbindung wird jeder Knoten noch über den alternativen Pfad erreicht, dann allerdings ohne weitere Redundanz. Wie der Fehler behoben wird, ist nicht näher beschrieben (Umkonfiguration wie bei dem Verfahren in Teil 1, Intervention des Betriebspersonals etc.).

(3) Vorteile: keine Umschaltzeiten im Fehlerfall, unterbrechungsfreier Betrieb.

(4) Einschränkungen: komplexere Konfiguration, Duplizieren von Rahmen ist nicht Bestandteil der Ethernet-Standards und erfordert spezielle Maßnahmen (z.B. Redundanz-Boxen), es sind weitere Vereinbarungen erforderlich für die Rückkehr aus dem Fehlerfall in den redundanten Betrieb.

Teil 3Die Anbindung an die übergeordnete Leitebene hat noch höhere Anforderungen bzgl. der

Verfügbarkeit. Daher wird hierfür eine Ausführung als echter Doppelring vorgeschlagen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Ringredundanz mit zwei gleichzeitig betriebenen VLANs

Red Box: Ringswitch mit Dopplung der Anschlüsse für Geräte mit

einfachem Anschluss (SAN - Single Attached Node)

Node: Geräte (Feldbus-Controller, Schutzgeräte, Messgeräte)

Quelle: ABB



�

Frage 4.4 (8 Punkte): Vergleichen Sie die echte Doppelring-Konfiguration mit der Konfiguration in Teil 2 bzgl. Ausfallsicherheit und Aufwand. Beschreiben Sie das Verhalten im Fehlerfall.

• Ausfallsicherheit: besser, da (1) doppelte Verbindungen statt doppelt betriebener Verbindungen, (2) Ausfall einzelner Switches betreffen nur einen Ring (statt beider Ringe)

• Aufwand: (1) doppelter Hardware-Aufwand (Knoten, Verbindungsleitungen, Trassen), (2) keine komplexe Konfiguration (zwei wirkliche LANs statt VLAN), (3) leichterer Austausch von Komponenten (z.B. fehlerhafte Verbindungsleitungen und Knoten)

• Verhalten im Fehlerfall: unterbrechungsfreier Betrieb; bei Einzelfehlern weiterhin Redundanz im verbliebenen Ring verfügbar (z.B. mit Verfahren nach Teil 1)

Frage 4.5 (8 Punkte): Als Alternative zu der in Teil 2 vorgeschlagenen speziellen Ringkonfiguration wird in dem in Teil 3 gezeigten Vorschlag auf der untergeordneten Ebene eine Variante mit doppelter Sternkonfiguration gezeigt. Vergleichen Sie die Doppelsternkonfiguration mit der Konfiguration in Teil 2 bzgl. Ausfallsicherheit und Aufwand. Beschreiben Sie das Verhalten im Fehlerfall.

• Ausfallsicherheit: vergleichbar; Zwar sind doppelte Verbindungen und doppelte Switches vorhanden (statt doppelt betriebener Verbindungen), bei Ausfall eines Switches fällt allerdings der zugehörige Stern komplett aus.

• Aufwand: (1) höherer Hardware-Aufwand (Knoten und deutlich mehr Verbindungs-leitungen), (2) keine komplexe Konfiguration (zwei wirkliche LANs statt VLAN), (3) leichterer Austausch von Komponenten (z.B. fehlerhafte Verbindungsleitungen und Knoten)

• Verhalten im Fehlerfall: unterbrechungsfreier Betrieb; Redundanz durch zweiten Stern vergleichbar mit virtuellem Ring.

Frage 4.6 (8 Punkte): In den in den Teilen 2 und 3 beschriebenen Verfahren werden Ethernet Rahmen dupliziert. Beschreiben Sie eine Methode, mit der ein Gerät auf möglichst einfache Weise Duplikate erkennen und ggf. verwerfen kann.

• Sequenznummern für jedes Frame (anwendungsspezifische Erweiterung, bzw. spezifisch für dieses Verfahren zur Erzeugung redundanter Rahmen)

• MAC-Adresse der Quelle (Standard Ethernet)

Übergeordnete Leitebene: Doppelring

DAN: Gerät mit doppeltem Anschluss (Double Attached Node)

Untergeordnete Ebene:Doppelstern

Red Box: Dopplung der Anschlüsse für Geräte mit einfachem Anschluss (SAN - Single Attached Node)

Quelle: ABB



• Rahmen von der gleichen Quelle mit gleicher Sequenznummer können verworfen werden.

• Bemerkungen: (1) Rahmen werden erst verworfen, nachdem der Empfang eines Duplikat festgestellt wurde. (2) Solch einfache Verfahren lassen sich hardware-nah implementieren. Auf Anwendungsebene gibt es natürlich weitere Möglichkeiten. (3) Das Verfahren sollte möglichst wenige falsch negative Identifikationen liefern, d.h. möglichst wenige gültige Rahmen, die irrtümlich als Duplikate verworfen werden. Hierzu ist erforderlich, dass einerseits die Tabellen mit gültigen Sequenznummern altern, andererseits die Sequenznummer hinreichend viele Stellen besitzt (z.B. 16 Bits), um fehlerhafte Identifikationen bedingt durch Zählerüberlauf auszuschließen.



8. Regler mit AnzeigeTeil 1 Folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Reglers mit Anzeige.

�

«abs

tract

»Beobachter

+ ak

tual

isie

re()

Anzeige

+ m

einM

odel

l :P

roze

ssm

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l+

mei

nReg

ler

:Reg

ler

+ ak

tual

isie

re()

+ er

stel

leR

egle

r()+

initi

alis

iere

(Pro

zess

mod

ell)

+ pr

äsen

tiere

()

Regler

+ m

eine

Ansi

cht

:Anz

eige

+ m

einM

odel

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roze

ssm

odel

l

+ ak

tual

isie

re()

+ be

hand

leEr

eign

is()

+ in

itial

isie

re(A

nzei

ge, P

roze

ssm

odel

l)

Prozessmodell

+ m

enge

Beob

acht

er+

proz

essD

aten

+ ab

mel

den(

Beob

acht

er)

+ an

mel

den(

Beob

acht

er)

+ be

nach

richt

ige(

)+

dien

stAu

sfüh

ren(

)+

gibD

aten

()

bena

chric

htig

e():

beob

acht

er.a

ktua

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re()+a

nmel

den(

),di

enst

Ausf

ühre

n()

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ufen

+Erz

euge

n

+anm

elde

n();

gibD

aten

()au

fruf

en

+akt

ualis

iere

()au

fruf

en



Frage 1.1 (6 Punkte): Erläutern Sie die im Diagramm enthaltenen Blöcke und ihre Rollen.

Frage 1.2 (6 Punkte): Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Blöcken: Was geschieht, wenn sich Prozessdaten geändert haben? Wodurch werden Prozessdaten geändert? Wie reagiert die Anzeige auf geänderte Prozessdaten?

Teil 2 Das folgende Diagramm zeigt den zeitlichen Ablauf.

�

Frage 1.3 (4 Punkte): Ergänzen Sie das Diagramm um eine weitere Anzeige.

Frage 1.4 (4 Punkte) Die zusätzliche Anzeige soll als abgesetzte Einheit über ein Netzwerk angeschlossen werden. Welche zusätzlichen Informationen und Komponenten werden hierzu (im Unterschied zur lokalen Anzeige) benötigt?

Teil 3 Folgendes Diagramm zeigt den Beginn der Phase, in der die Klassen instanziert und die

Instanzen initialisiert werden.

Benutzer

r :Regler a :Anzeigem :Prozessmodell

behandleEreignis()

dienstAusführen()

benachrichtige()

aktualisiere()

präsentiere()

gibDaten()

aktualisiere()

gibDaten()



�

Frage 1.5 (4 Punkte): Erläutern Sie den im Diagramm gezeigten Ablauf.

Frage 1.6 (4 Punkte): Ergänzen Sie das Diagramm um folgenden Ablauf: Nachdem sich die Anzeige beim Prozessmodell als Beobachter angemeldet hat, erzeugt das Anzeigeobjekt einen neuen Regler. Dem Regler werden bei der Initialisierung eine Referenz auf das Prozessmodell und auf die Anzeige übergegeben. Der Regler registriert sich ebenfalls als Beobachter beim Prozessmodell. Nach Abschluss der Initialisierung startet die Anwendung die Ereignisbehandlung (siehe Teil 2).

9. Topologie-ErkennungsdienstEin Hersteller von Systemen mit netzwerkbasierter Feldbusschnittstelle bietet eine

automatische Topologieerkennung an. Hiermit lässt sich die Netztopologie aus dem laufenden Netz auslesen, wie in folgender Abbildung 2.1 gezeigt. Damit dieser Dienst mit Geräten unterschiedlicher Hersteller funktioniert, basiert die Kommunikation unter den Geräten auf Basis eines internationalen Standards, nämlich dem in IEEE 802.1AB standardisierten Protokoll LLDP (Link Layer Discovery Protocol).

Anwendung

m :Prozessmodell

a :Anzeige

r :Regler

new()

new()

initialisiere(Prozessmodell)

anmelden(Anzeige)

erstelleRegler()



�Abbildung 2.1 Erkannte Netztopologie

�

Abbildung 2.2 Link Layer Discovery Protocol (IEEE802.1AB)

Application

OSI ReferenceModel Layers

IEEE 802 Model Layer

Presentation

Session

Transport

NetworkData Link

Physical

Higher Protocol Layers

MAC Client {Bridge Relay Entity, LLC, etc.}

Link Aggregation Sublayer (Optional)

LLDPMAC Control(Optional)

MAC Control(Optional)

MAC Control(Optional)

MAC

Physical Physical Physical

MAC MAC

LLDP LLDP

Extreme Networks Technical Brief

How LLDP Works

LLDP is essentially a neighbor discovery protocol that defines a method for network access devices using Ethernet connectivity to advertise information about them to peer devices on the same physical LAN and store information about the network. It allows a device to learn higher layer management reachability and connection endpoint informa-tion from adjacent devices. LLDP has been fully implement-ed in Extreme Networks switches and is accessible from the EPICenter® management system.

Using LLDP, an Extreme Networks device is able to advertise its own identification information, its capabilities and media-specific configuration information, as well as learn the same information from the devices connected to it. LLDP advertises this information over Logical Link-Layer Control frames and the information received from other agents in IEEE-defined Management Information Bases (MIB) modules. Figure 1 shows this relationship.

LLDP significantly aids in the deployment of any network device that supports the protocol. As a media independent protocol intended to be run on all IEEE 802 devices, LLDP may be used to discover routers, bridges, repeaters, WLAN APs, IP telephones, network camera or any LLDP-enabled device, regardless of manufacturer. Since LLDP runs over the data-link layer only, an Extreme Networks switch running one network layer protocol can discover and learn about an access device running a different network layer protocol.

LLDP Architecture

LLDP is a data-link layer protocol, operating above the MAC service layer and, as a result, can be used in any networking device that implements a MAC service. Figure 2 shows where LLDP resides in the IEEE 802 Model Layers.

© 2006 Extreme Networks, Inc. All rights reserved. Link Layer Discovery Protocol—Page 2

BlackDiamond 8810

BlackDiamond® 10808

Port Device InfoA13

C2

D2

F3

Switch

IP Phone

PC

IP-PBX

xxxx

xxxx

xxxx

xxxx

Discovery MIB

Intellegent Core

PSTN

LLDP—How it WorksThe IEEE 802.1ab Link Layer Discovery Protocol defines a standard way for Ethernet devices to advertise information about themselves to their network neighbors and store information they discover from other device.

LAN switch and router advertise chassis/port ids and system descriptions to each other.

The devices store the information they learn about each other in local MIB databases accessible via SNMP.

A network management system (Extreme Networks EPICenter) retrieves the data stored by each device that builds a network topology map.

1.

2.

3.

BlackDiamond 8810

Router

MIB

NetworkManagement

System

LAN Switch

MIB

IP Phone

1

2

3

`

Figure 2: LLDP Architecture

Figure 1: LLDP Peer Discovery

IEEE 802.1AB

Ethernet Header

Ethertype: LLDP

FCS

LLDP Daten

Chassis ID PortID TTL

Ende

LLD

P

Optionale Felder:z.B. IP Adresse, Port,

System Name, ...



Frage 2.1 (6 Punkte): Welcher Protokollschicht ordnen Sie LLDP zu? Wie weit wird die per LLDP ausgetauschte Information kommuniziert? Können Protokolle auf Schicht 3 passiert werden? Begründen Sie Ihre Entscheidung.

Frage 2.2 (4 Punkte): Die Topologie soll netzweit erkannt werden, auch über VLANs und über Router hinweg. Wie lässt sich dies erreichen? Welche Information wird benötigt? Wie lässt sich die Kompatibilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller gewähr-leisten? Hinweis: Verwenden Sie lokale Verzeichnisse auf den Geräten.

Frage 2.3 (4 Punkte): Wenn Geräte ausfallen, bzw. aus dem Netz entfernt werden, muss die Topologie aktualisiert werden. Wie lässt sich verhindern, dass veraltete Informationen in den Geräten vorgehalten werden?

Frage 2.4 (4 Punkte): Die folgende Abbildung 2.3 zeigt einen mit einem Netzwerk-Analyse-Programm dekodierten LLDP Rahmen. Identifizieren und interpretieren Sie die obligatorischen und optionalen Felder im Rahmen.

�Abbildung 2.3 Protokoll-Trace

Frage 2.5 (4 Punkte): Der in Abbildung 2.3 dekodierte Rahmen enthält ein Feld TTL (= Time to Live), das auf 120 s gesetzt ist. Welche Funktion könnte dieses Feld haben? Wie wird die Information aus dem TTL-Feld in den Geräten vermutlich verwendet?

Frage 2.6 (4 Punkte): Der Systemhersteller bietet beim Austausch von Geräten im Feld ein besonderes Leistungsmerkmal: die automatische Übernahme der Konfigurations-parameter des ausgetauschten Gerätes. Wie könnte er dieses Leistungsmerkmal realisieren?



10. Vorfahrt für ProzessdatenProzessrechner und ihre Peripherie (IO-Geräte) teilen sich ein Netzwerk mit Benutzer-

PCs und anderer netzwerkfähiger Infrastruktur. Die folgende Abbildung zeigt eine Konfiguration mit 3 Ethernet-Switches. Prozessrechner und Peripherie kommunizieren miteinander über ein netzwerkbasiertes Feldbusprotokoll. Wegen der zeitkritischen Anforderungen werden kurze Ethernet-Rahmen von 64 Bytes verwendet. Das Netzwerk ist als Fast Ethernet mit 100 Mbit/s Übertragungsrate ausgeführt.

�

Frage 3.1 (4 Punkte): Am Port A von Switch S1 trifft ein Paket der Länge 512 Bytes mit Videodaten zum Zeitpunkt t1 ein, an Port B zur Zeit t2 ein Ethernet Rahmen der Länge 1500 Bytes, und an Port C zum Zeitpunkt t3 ein Rahmen mit Prozessdaten. Skizzieren Sie die Reihenfolge der Pakete am Ausgangsport D, wenn keine weiteren Massnahmen getroffen werden.

Frage 3.2 (4 Punkte): In welcher Größenordnung sind Laufzeitschwankungen in der gezeigten Konfiguration zu erwarten? Hinweis: angenommen sei eine geringe Systemauslastung, d.h. höchstens 1 Rahmen ist in den Eingangswarteschlangen in Bearbeitung.

�

Frage 3.3 (4 Punkte): Die Prozessrechner und ihre Peripherie werden zu einem VLAN zusammengefasst und diesem VLAN die höchste Priorität zugeordnet. Skizzieren Sie die Reihenfolge der Pakete an Port D gemäß Frage 3.1 nach dieser Massnahme. Welchen

VLAN 1

SwitchesPort A

Port B

Port C S1 S2 S3

Port A

Port B

Port C

t1 t2t3

Port D

Prozessrechner IO-Gerät IO-Gerät

1

2

3

Eingangsports

Prio 1

Ausgangsports

Prio 2

Mit Priorisierung

1

2

3

Eingangsports Ausgangsports

Ohne Priorisierung



Einfluss hat diese Massnahme auf die Laufzeitschwankungen? Hinweis: Als zum VLAN gehörig markierten Pakete erhalten nach dem in der Abbildung oben gezeigten Mechanismus die höchste Priorität.

Frage 3.4 (6 Punkte): Könnte man durch Verwendung zusätzlicher Ausgangsports weitere Fortschritte erzielen? Begründen Sie Ihre Aussage. Nennen Sie Massnahmen, wie man die Laufzeitschwankungen weiter verringern könnte. Begründen Sie Ihre Aussagen.

11. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)Eine Task innerhalb einer SPS arbeitet zyklisch nach folgendem Schema (1) Eingänge

abfragen, (2) Ausgänge berechnen, (3) Ausgänge schalten. Das Abfragen der Eingänge geschieht durch Empfang von Nachrichten von den Sensoren über einen Feldbus. Das Schalten der Ausgänge erfolgt durch Senden von Nachrichten an die Aktoren über den Feldbus.

Der Busmaster organisiert den Nachrichtenaustausch am Feldbus so, dass innerhalb eines Buszyklus Zeitpunkte für den Austausch von Meldungen zwischen den angeschlossenen Geräten vereinbart sind. Hierbei arbeitet der Feldbus also ebenfalls zyklisch, läuft jedoch nicht synchron mit dem Zyklus der SPS.

Die nachfolgende Abbildung zeigt den zeitlichen Ablauf.

�

Frage 1: Welchen Einfluss hat der Buszyklus auf die Weitergabe der Meldungen an die angeschlossenen Sender und Empfänger im Feld? Welche Verzögerung (gemessen in Bus-Zyklen) ergibt sich zwischen Senden einer Sensormeldung und Empfangen der Steuermeldung am Aktor aus Perspektive des Busses?

Frage 2: Erläutern Sie den prinzipiellen Ablauf für den Empfang und das Senden von Meldungen aus dem Feld aus der Perspektive der SPS.

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

Sensorsignal ändert sich

Sensorsignal wird gepuffert

Sensorsignal wird übertragen

2

8

Sensor: Gerät

Controller: Gerät

Steuerinformation an alle Aktoren

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

Sensorsignal ändert sich

BerechnungI O BerechnungI OSPS Zyklus


Sensorsignal gelesen Steuersignal wird gepuffert

Steuerinformation an alle Aktoren




Frage 3: Welche Reaktionszeiten (gemessen in Bus-Zyklen) ergeben sich im günstigsten und ungünstigsten Fall aus Perspektive des Systems (Sensor, SPS, Aktor)?

Frage 4: Mit welchen Modifikationen am Feldbus liessen sich die Reaktionszeiten verkürzen?

12. FeldbusTeil 1

Der Anschluss an einen Ethernet basierten Feldbus geschieht über einen Schnittstellen-baustein (NIC, Network Interface Controller), der Meldungen per DMA (Direct Memory Access) in den Arbeitsspeicher eines Mikrocomputers übertragen kann, wie in folgender Abbildung gezeigt. Der Microcomputer verfügt ausserdem über eigene digitale Eingänge und Ausgänge.

�

Frage 1: Erläutern Sie den Vorteil von DMA gegenüber einer einfachen Abbildung der Geräteregister in den Adressraum des Arbeitsspeichers (Memory Mapped IO)

Frage 2: Feldbusklemme: Es sei angenommen, dass die digitalen Eingänge und Ausgänge (Digital I/O) die einzigen Ports des Mikrocomputers sind. Die einzige Funktion des Mikrocomputers besteht darin, die vom Feldbus empfangenen Meldungen in Signale an den Ausgangsports abzubilden, sowie Signale an den Eingangsports als Meldungen über den Feldbus zu senden. Wie könnte man das Gerät vereinfachen (Alternativen zum Mikrocomputer)? Welche Vereinbarung ist hierfür erforderlich?

Teil 2In der folgenden Abbildung sind Feldbusklemmen zu einem Netz verschaltet.



�

Frage 3: Beschreiben Sie die dargestellten Topologien. Hinweis: Wenn mehrere Ports pro Gerät vorhanden sind, ist im Gerät ein Ethernet-Switch enthalten.

Frage 4: Es werden Ethernet Rahmen der Größe 64 Bytes verwendet, die 20 Bytes Header und 44 Bytes Nutzinformation enthalten. Wie viele digitale I/Os lassen sich mit einem solchen Rahmen schalten? Wie lässt sich die Zahl der digitalen I/Os erhöhen?

Frage 5: Als Übertragungsmedium wird Fast Ethernet mit 100 Mbit/s verwendet. Wie viel Zeit vergeht von der Sendung des Ethernet Rahmens aus Frage 4 vom Kopf des Netzes (oben links) bis zum Empfang der Meldung (Schalten der Ausgänge) über den längsten Pfad des dargestellten Netzes? Wenn alle Geräte in der längsten Kette individuell adressiert werden, welche Zeit ergibt sich für den Buszyklus?

Frage 6: Statt die dargestellten Geräte individuell mit Ethernet Rahmen zu adressieren, könnte man die Informationen für alle Geräte auf dem Pfad in den gleichen Ethernet Rahmen packen. Welcher Zeitvorteil liesse sich hierdurch erreichen? Welche Besonderheit weist ein Ethernet-Switch für eine solche Anwendung auf?

Einige Erläuterungen im Vergleich zu traditionellen Feldbussystemen:

�

• Laufzeit der Signale: 300 * 106 m/s ⇒ 300 m/μs. 30 m werden also in 100 ns

durchlaufen.

• Übertragungsrate am Bus: 1 Mbit/s. 1 Bit dauert 1 μs, damit quaistationäre Verhältnisse auf der Leitung.

• Größe der Telegramme bzw. Nachrichten: z.B. 12 Bytes = ca 100 Bits

• Dauer eines Telegramms somit ca. 100 μs.

Traditioneller Feldbus SPS I/O Controller

I/O Devices

Sensoren, Aktoren

< 30 m



�

• Dauer: > 2 * N * Dauer einer Nachricht (für 10 Geräte und 100 μs: 2 ms)

Ethernet basierter Feldbus:

• Ethernet Rahmen: 64 Bytes (20 Bytes Header, 44 Bytes Nutzdaten)

• Übertragungsrate: 100 Mbit/s (Fast Ethernet, 1 Bit dauert 10 ns))

• 64 * 8 Bytes / 100 MBit/s ⇒ ca 5 μs Übertragungsdauer

• Ethernet-Switch: speichern und weiterleiten verursacht ca 5 μs Verzögerung pro Switch (auch bei längeren Ethernet Rahmen, da die Header-Information zum Auswerten der Zieladresse zum Weiterleiten genügt)

�

Netz-Topologien:

�

Bus-Zyklus Bsp: N = 10 Geräte, Busmaster organisiert Abfrage, alle Geräte am Bus können mitlesen

t1

1

2

2

3

3

Anfrage

Antwort

N

N

Buszyklus

SPS I/O Controller

I/O Devices

I/O Device

Ethernet-

Switches

SPS I/O Controller I/O Devices

I/O Device

Ethernet-Switches in Geräten eingebaut

1 2 5 84 73 6 9

4

3

21

9

8

7

6 5

1

1

2

2

3

3

N

N

8

8

Traditioneller Buszyklus:

Dauer: > 2 * N * Dauer einer Nachricht (für 10 Geräte und 5 μs: 100 μs)


Daten H

wie Schieberegister


�

�

Teil 3Zeitsynchrone Steuerung: Um Antriebe zu synchronisieren, werden verteilte Uhren

eingesetzt, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Bus-Zyklen:

A. Traditionell: maximale Laufzeit einkalkulieren: 10 * 5 μs = 50 μs Dauer einer Nachricht ⇒ 1 ms (immer noch schneller)

B. Laufzeiten optimieren: 2 * 10 * 5 μs = 100 μs (wie in der Stern-Topologie)

10

10

9

9

8

8

17 6 5 4 3 2

1 765432

C. Sammeltelegramm: 2 * 10 * 5 μs = 100 μs (wie in der Stern-Topologie)

10

10

D. Sammeltelegramm ohne MAC-Adressierung: 2 * 5 μs = 10 μs (besser als Stern-Topologie?)

10

10

Stern-Topologie im Parallelbetrieb

4

3

21

9

8

7

6 5

1

1

Optimierter Buszyklus:

Dauer: > 2 * N * Dauer einer Nachricht (für 10 Geräte und 5 μs: 10 μs)

2

2

3

3

10

10

...



�

Frage 7: Welche Reaktionszeit ist für die winkelgenaue Steuerung (mit 1 Grad Genauigkeit) eines Antriebs mindestens erforderlich, der mit 3000 Umdrehungen pro Minute läuft? Welchen Vorteil bringen synchrone Uhren in den Controllern (Antriebe, Feldbusklemmen, bzw. Prozessrechner)?

Frage 8: Uhrenvergleich: Damit die Uhren synchron bleiben, müssen sie durch ein geeignetes Protokoll von Zeit zu Zeit nachgestellt werden. Hierzu übernimmt ein Gerät die Zeitbasis (Master-Clock), alle anderen Geräte werden nach dieser Uhr gestellt (Slave Clocks). Das Stellen der Uhren erfolgt durch Versand von Nachrichten nach einem geeigneten Protokoll. Hierbei ist der Gangunterschied der Uhren festzustellen und ausserdem die Laufzeit der Nachricht zwischen den Geräten zu berücksichtigen. Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dem sich die Uhr eines Gerätes nach der Uhr in einem anderen Gerät stellen lässt. Hinweis: Gehen Sie schrittweise vor: (1) ohne Berücksichtigung der Laufzeit, (2) mit Berücksichtigung der Laufzeit.

13. AblaufwarteschlangeDie folgende Abbildung zeigt eine Ablaufwarteschlange zu dem Zeitpunkt, als durch

Eintreffen eines Ereignisse eine bisher wartende Task ablaufbereit geworden ist.



�

Frage 1: Wie reagiert der Scheduler auf die neue ablaufbereite Task? In welcher zeitlichen Reihenfolge werden die Tasks in einem Multi-Tasking System mit einem Prozessorkern (CPU) abgearbeitet?

Frage 2: In welcher zeitlichen Reihenfolge werden die Tasks in einem Multi-Tasking System mit zwei Prozessorkernen abgearbeitet? Beschreiben Sie die Aktivität des Dispatchers in einem Diagramm.

14. Verfahrene Situationen

�

In einem Multi-Tasking System kann es zu verfahrenen Situationen kommen.

Frage 1: Erläutern Sie die Ursache der verfahrenen Situation in der Abbildung.

Prozessor

Ablaufwarteschlange

Task Control Blöcke

Prio = 2S = A

Prio = 8S = A

Prio = 2S = A

Prio = 10S = A

Kopf

Prio = 8S = A neue ablaufbereite Task

...



Frage 2: Wodurch entstehen solche Situationen in einem Multi-Tasking System? Wie lassen sich solche Situationen vermeiden? Wie lassen sie sich auflösen?

15. Task-SynchronisationTeil 1

Folgendes Diagramm zeigt den Ablauf zweier Tasks.

Frage 1: Erläutern Sie den Ablauf. Was genau wird durch die Verwendung der Ereignis-meldungen (Event Flags) erreicht?

Frage 2: Eine Abfüllanlage soll mit Hilfe dreier paralleler Tasks realisiert werden: (1) Flasche abfüllen, (2) Kronkorken aufsetzen, (3) Etikett aufkleben. Die Aufgaben sollen in auf einander folgenden Arbeitsschritten erledigt werden. Erstellen Sie ein Aktivitäts-diagramm.

�

Teil 2Drei Antriebsachsen sollen synchronisiert werden. Jede Antriebsachse soll mit Hilfe einer

eigenen Task gesteuert werden. Bezugspunkt für jede Achse ist eine vorgegebene Position, die von einem Drehgeber gemeldet wird. Durchläuft die Achse diesen Bezugspunkt, wird ein Alarm erzeugt.

Task P1

EventFlag2

Fork P2

InitialisierungSchleife

EventFlag1 zurück setzen

Schalter"Aus"betätigt?

Ende P1

Initialisierung

EventFlag1

Abschnitt A bearbeiten

EventFlag1

Schleife

EventFlag2 zurück setzen

EventFlag2

Abschnitt B bearbeiten



Frage 3: Mit welcher Methode kann der Gleichlauf der Achsen gewährleistet werden? Beschreiben Sie ein Konzept in Worten.

Frage 4: Erstellen Sie ein Aktivitätsdiagramm.

16. Ein weiterer FeldbusTeil 1

Folgende Abbildung zeigt verschiedene Möglichkeiten zum Vernetzung von Feldbussen. Als Prozessrechner arbeitet eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oben rechts in der Abbildung. Aktoren und Sensoren werden an I/O Geräte (Feldbusklemmen) angeschlossen, die an die Ethernet Switches angeschlossen sind. Geräte mit mehreren Ethernet Anschlüssen haben eingebaute Switches und können daher ebenfalls Meldungen weiter geben.

�

Das Netz wird als Fast Ethernet mit 100 Mbit/s betrieben. Zum Austausch der Prozessdaten werden kurze Ethernet Rahmen von 64 Bytes verwendet, von denen 44 Bytes für Nutzdaten zur Verfügung stehen. Die SPS organisiert als I/O Controller bzw. Busmaster den Buszyklus. In jedem Switch werden die Meldungen gespeichert und weitergeleitet. In den I/O Geräten werden die Meldungen empfangen und Meldungen mit dem aktuellen Status der Eingänge als Antwort gesendet.

Frage 1.1 (4 Punkte): Es werden 10 I/O Geräte in Stern-Topologie an einen Switch angeschlos-sen. Der I/O Controller organisiert den Buszyklus so, dass alle Geräte der Reihe nach abgefragt werden und antworten. Wie lange dauert der Buszyklus mindestens?

Frage 1.2 (4 Punkte): Es werden 10 I/O Geräte in Linien-Topologie bzw. in Ring-Topologie miteinander verbunden. Der I/O Controller organisiert den Buszyklus so, dass alle Geräte der Reihe nach abgefragt werden und antworten. Wie lange dauert der Buszyklus mindestens?

Ring Switches

I/O Geräte (Feldbusklemmen)

Switch

Switch

(Glasfaser)

SPS / PLC

Switch

Quelle: Phönix Contact



Frage 1.3 (6 Punkte): Skizzieren Sie auf der Zeitachse einen möglichen Buszyklus zu Frage 1.1 und Frage 1.2 aus Sicht des I/O Controllers (Geräte abfragen und Rückmeldungen).

Frage 1.4 (4 Punkte): Für den zu steuernden Prozess genügt eine Zykluszeit von 10 ms. Es werden maximal 10 I/O Geräte angeschlossen. Die Anordnung soll jedoch Einzelfehler im Netz verkraften. Welche Topologie wählen Sie? Begründen Sie Ihre Entscheidung durch Vergleich mit den anderen Topologien.

Teil 2Damit das Netzwerk neben den zeitkritischen Prozessdaten auch regulären Verkehr

übertragen kann, wird ein Zeitmultiplex eingeführt, d.h. alle Controller, Switches und Geräte werden im gleichen Takt zwischen einem Zeitschlitz für Prozessdaten und einem Zeitschlitz für regulären Verkehr umgeschaltet. Der Takt für den Zeitmultiplex kann von 250 μs bis 1 ms eingestellt werden. Es wird abwechselnd ein Zeitintervall für Prozessdaten verwendet, das folgende Zeitintervall für regulären Verkehr.

Frage 1.5 (4 Punkte): Zur Steuerung des Prozesses ist eine maximalen Reaktionszeit von 1 ms erforderlich. Hierbei beschreibt die Reaktionszeit aus Sicht des Prozesses die Zeit zwischen dem Senden einer Meldung mit Statusinformation und dem Empfang einer Meldung mit Steuerinformation. Wählen Sie eine Linienkonfiguration für 10 Geräte. Kann die gewünschte Reaktionszeit erreicht werden? Begründen Sie Ihre Antwort.

Frage 1.6 (4 Punkte): Wählen Sie eine Einstellung für den Zeitmultiplex. Begründen Sie Ihre Entscheidung. Skizzieren Sie den Buszyklus auf der Zeitachse aus Sicht des I/O Controllers (Geräte abfragen und Rückmeldungen empfangen).

17. Model View ControlFolgende Abbildung zeigt den Aufbau eines Reglers mit Anzeige.



�

Frage 1.1 (6 Punkte): Erläutern Sie die im Diagramm gezeigten Blöcke und deren Rollen.



Frage 1.2 (6 Punkte): Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Blöcken. Was geschieht, wenn sich Prozessdaten geändert haben? Wodurch werden Prozessdaten geändert? Wie reagiert die Anzeige auf geänderte Prozessdaten?

Frage 1.3 (6 Punkte): Ergänzen Sie die Abläufe um den Controller in der folgenden Abbildung.

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Frage 1.4 (4 Punkte): Ergänzen Sie die Abbildung um eine weitere Anzeige.



18. CAN Open als FeldbusFür das Batteriemanagement in einem Elektrofahrzeug soll der CAN-Bus in Kombination

mit dem Anwendungsprofil CANopen 454 für Energie-Management-Systeme eingesetzt werden. In den Unterlagen findet sich folgende Abbildung.

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Frage 1.1 (6 Punkte): Interpretieren Sie die abgebildeten Protokollschichten und erläutern Sie die Funktionen jeder Schicht.

• Schicht 1, Physical Layer: Modulationsverfahren; wie OSI Schicht 1

• Schicht 2, Data Link: Rahmenprotokoll mit Fehlerkorrektur; wie OSI-Schicht 2

• Schicht 3, Anwendungsschicht: Schnittstelle für den Anwendungsprogrammierer, Definition von Nachrichten, Nachrichtenformaten und Objekten aus der Anwendungs-domaine; entspricht OSI Schicht 7

Frage 1.2 (8 Punkte): CAN funktioniert als serieller Feldbus, d.h. alle Geräte sind an einem gemeinsamen Medium (Zweidraht) angeschlossen. Der Anschluss der Geräte an den Feldbus erfolgt wie in folgender Abbildung gezeigt. Erläutern Sie die Funktion der einzelnen Komponenten im Zusammenhang mit den den Protokollschichten aus der letzten Abbildung. Welche Besonderheit hat der dargestellte Mikrocontroller?

�

• CAN-Transceiver: Physical Layer, stellt für Schicht 2 eine Schnittstelle zum Senden (Transmit Tx) und Empfangen (Receive Rx) von Nachrichten zur Verfügung.

CAN

© CiA

CANopen application layer

COB = communication object

Indicating(responding)

device

CANopen COB

CAN frame(s)

Requesting(confirming)

device

Recessive RecessiveDominant

CAN physical

layer

CAN data link

layer

CANopen

application

layer

CAN physical

layer

CAN data link

layer

CANopen

application

layer

Quelle: CAN in Automation

CAN

© CiA

• Signaling

• Bus Failure

Management

MicrocontrollerCAN Transceiver

CAN_H

CAN_L

Rx

Tx

CAN Module• Protocol Controller

• Message Filter

• Message Buffer

• CPU Interface

CPU Module

• Additional Message Filter• Higher Layer

Protocol

• Application

Integrated CAN module

Quelle: CAN in Automation



• CAN Module: Schicht 2; sowie Vorverarbeitung von Signalen, z.B. Ausfiltern relevanter Signale zur weiteren Verarbeitung, sowie Nachrichtenpuffer; stellt Schnittstelle zur Anwendungsschicht bereit.

• CPU-Module: Verarbeitung des Anwendungsprotokolls (Schicht 3), sowie der der Anwendung selbst.

• In der gezeigten Abbildung ist das CAN-Module (Schnittstellenmodul) direkt im Mikrocontroller integriert. Als Alternative wäre ein externer Baustein zu verwenden, der dann über eine serielle Schnittstelle an einen Mikrocontroller angeschlossen ist (z.B. über eine serielle Schnittstelle wie SPI).

Frage 1.3 (8 Punkte): Der Feldbus wird mit einer Datenrate von 1 Mbit/s betrieben. Die Länge einer Nachricht beträgt 6 Bytes für den Nachrichtenkopf (Header), sowie 0 bis 8 Bytes für Daten. Die Geräte kommunizieren Kollisionen unter einander (mehrere Geräte senden gleichzeitig), sowie Quittungen empfangener Nachrichten unmittelbar durch den Signalpegel eines einzelnen Bits (in Art einer Open-Kollektor-Schaltung bzw. verdrahteter ODER-Logik der Anschlüsse an den Bus). Wie lange darf die Länge ℓ des Feldbusses höchstens sein, damit eine Nachricht von einem Ende zum anderen laufen kann und von dort eine Quittung empfangen werden kann (als Ausbreitungsgeschwindigkeit seien 200 * 106 m/s angenommen)? Wie viele Nachrichten pro Sekunde kann der Bus übertragen, wenn jede Nachricht 8 Bytes Daten enthält? Nennen Sie eine Möglichkeiten, Nachrichten bevorzugt zu behandeln (z.B. Steuerinformationen vor Messwerten).

• Die Übertragungsdauer eines Bits beträgt 1 us (zu berechnen aus der Datenrate). Während dieser Zeit wird mit der gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Ent-fernung von 200 m durchlaufen. Die Buslänge darf also 100 m nicht überschreiten, damit eine Quittung nach einer us zurücklaufen kann. Damit die Quittung innerhalb der Bitdauer ankommt, sollte die Buslänge deutlich kürzer sein (max. 40 m).

• Nachrichtenlänge: 14 Bytes = 14 * 8 = 112 bits => 112 us pro Nachricht. Somit können pro Sekunde 8929 Nachrichten übertragen werden.

• Die Priorität der Nachricht wird im Nachrichtenkopf kennzeichnen. Die Auswertung erfolgt entweder durch die Anwendung (Software im Mikrocontroller), bzw. gleich bitweise durch den Buspegel.

19. Synchronisation von AntriebenEin Antrieb soll als Folgeantrieb auf einen Leitantrieb synchronisiert werden, so dass

zwischen beiden Antrieben Gleichlauf hergestellt wird. Hierbei werden Winkelfehler und Drift durch einen Prozessrechner am Folgeantrieb ausgeregelt. Zur Synchronisation stehen dem Prozessrechner von beiden Antrieben Impulse der jeweiligen Drehgeber zur Verfügung. Folgende Abbildung zeigt die Anordnung.



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Zur Kommunikation sind beide Antriebe und der Prozessrechner an einen Feldbus angeschlossen. Es sei angenommen, dass sich der Leitantrieb mit 3000 Umdrehungen pro Minute bewegt.

Frage 1.1 (6 Punkte): Traditioneller Feldbus mit 1 Mbit/s Übertragungsrate und 100 Bit Nachrichtenlänge. Welche Zykluszeit lässt sich hiermit für die 3 Geräte erzielen? Wie viele Nachrichten pro Umdrehung erhält der Prozessrechner vom Leitantrieb.

Lösung: (1) Dauer einer Umdrehung: 20 ms, (2) Dauer der Übertragung einer Nachricht: 100 μs, (3) mit insgesamt 3 Geräten und 2 Nachrichten pro Gerät (Abfrage und Antwort) beträgt der Buszyklus 3 x 2 x 100 μs = 600 μs, (4) pro Umdrehung erhält der Prozessrechner also 20 ms / 600 μs = 33 Nachrichten pro Umdrehung.

Frage 1.2 (6 Punkte): Es wird ein Ethernet basierter Feldbus eingesetzt mit 100 Mbit/s Übertragungsrate und 64 Bytes Nachrichtenlänge. Die zyklische Abfrage (Buszyklus) wird beibehalten. Welche Zykluszeit ist realisierbar? Wie viele Nachrichten vom Leitantrieb erhält der Prozessrechner pro Umdrehung?

Lösung: (1) Dauer einer Umdrehung: 20 ms, (2) Dauer der Übertragung einer Nachricht: ca. 5 μs, (3) mit insgesamt 3 Geräten und 2 Nachrichten pro Gerät (Abfrage und Antwort) beträgt der Buszyklus 3 x 2 x 5 μs = 30 μs, (4) pro Umdrehung erhält der Prozessrechner also 20 ms / 30 μs = 666 Nachrichten pro Umdrehung.

Frage 1.3 (8 Punkte): Der Ethernet basierte Feldbus wird über eine Strecke geführt, an der insgesamt 10 Geräte (mit integrierten Switches) in einer Linientopologie betrieben werden. Zur Kommunikation werden die MAC-Adressen verwendet. Die Strecke transportiert auch regulären Verkehr aus dem Netzwerk. (1) Lässt sich in dieser Umgebung ein fester Buszyklus einrichten? Wenn nicht, beschreiben Sie eine Alternative für die Kommunikation zwischen den Antrieben und ihrem Prozessrechner. (2) Welche Effekte ergeben sich an den Knotenpunkten (Ethernet-Switches) durch die Bearbeitungs-zeit, sowie durch Wechselwirkung mit anderem Verkehr (bei Rahmenlängen bis zu 1500 Bytes)? (3) Wie können Sie diese Wechselwirkungen reduzieren? (4) Wie viele Nachrichten pro Umdrehung erhält der Prozessrechner in einem realistischen Szenario?

(1) Nein, Antwortzeiten lassen sich nicht garantieren. Alternative: Leitantrieb und Folgeantrieb kommunizieren ihre Meldungen in festen Intervallen. Der Prozessrechner greift nach Bedarf steuernd ein. (2) Bearbeitungszeit: ca. 5 μs pro Knoten (für MAC Weiterleitung), Wechselwirkung mit anderem Verkehr: Laufzeitschwankungen um 120 μs pro Paket von 1500 Bytes an jedem Knoten, je nach Verkehrsaufkommen auch mehrere Pakete pro Knoten. (3) Wechselwirkungen verringern: Priorität für Prozessdaten einreichten, z.B. durch VLAN oder ein anderes Verfahren zur Verkehrstrennung, Anzahl der Knoten reduzieren, Länge der Pakete einschränken, (4) realistisches Szenario: VLAN für Prozessdaten, 2 Knoten zwischen Antrieb und Prozessrechner: 2 x 5 μs = 10 μs Bearbeitungszeit, 2x 120 μs = 240 μs Laufzeit-



schwankungen, somit kann der Antrieb mit einiger Sicherheit alls 250 μs eine Meldung beim Prozessrechner abliefern, d.h. ca. 20 ms / 250 μs = ca. 80 Nachrichten pro Umdrehung.

Frage 1.4 (6 Punkte): Ab welchen Entfernungen (Länge des Feldbusses) spielen Laufzeiteffekte durch die Signalausbreitung jeweils eine Rolle?

Lösung: Mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca 200 * 106 m/s durchläuft das Signal in einer μs ca 200 m. (1) Für den traditionellen Feldbus mit 1 Mbit/s beträgt die Dauer der Übertragung eines Bits 1 μs. Damit Sendung und Empfang höchstens 1/4 Bit versetzt sind, sollte der Bus nicht länger als 50 m sein. (2) Für den Netzwerk basierten Transport kann man auf Synchronität im Sinne von Nachrichten auf einem gemeinsamen Medium verzichten. Der Bus wird bidirektional betrieben, an den Knoten sind Bearbeitungszeiten eingeplant. Hier gehen die Latenzen insgesamt in die Berechnung der möglichen Reaktionszeiten ein.



Englisch - DeutschAdmission control Zulassungskontrolle

Air Interface Funkschnittstelle

Application layer Anwendungsschicht, Verarbeitungsschicht

Basic Services (BS) Basisdienste

Bearer Service Trägerdienst

Block Error Rate Blockfehlerrate

Broadcast Rundsendung

Call Control Rufsteuerung

Call Drop Rate Verbindungsabbruchrate

Call Forwarding (CF) Rufumleitung

Carrier Verbindungsnetzbetreiber

Cell Identity (CID) Zellkennung

Circuit switched domain Leitungsvermittelte Domäne

Circuit switching Leitungsvermittlung

Confidentiality Vertraulichkeit

Content Provider Inhalteanbieter

Control Plane Steuerungsebene

Core Network Kernnetz

Credentials Beglaubigung, Zeugnis

Data Link Layer Sicherungsschicht

Delay, Latency Verzögerung, Laufzeit

Downlink Abwärtsstrecke

Echo Canceller Echokompensator

Expedited Forwarding beschleunigtes Weiterleiten

Fading Schwund

Firewall Brandschutzmauer, Paketfilter

Frame Error Rate Rahmenfehlerrate

Frequency Division Multiple Access Frequenzvielfachzugriff

Handover, Handoff (Verbindungs-)Übergabe, Weiterreichen

Integrity Unversehrtheit (von Daten bzw. Systemen)

Jitter Laufzeitschwankungen

Line of Sight Sichtverbindung



Local Area Network Lokales Rechnernetz

Location Area (LA) Aufenthaltsbereich

Mobile Termination Mobilfunk-Netzabschluss

Mobility Management Mobilitätssteuerung

Multicast Vielfachsendung

narrowband schmalbandig

Network Layer Vermittlungsschicht

Packet Loss Paketverlust

Packet Switching Paketvermittlung

Penetration Loss Wanddämpfungsverlust

Physical Layer Physikalische Schicht

Power Control Leistungsregelung

Presence Service Erreichbarkeitsdienst

Processing Gain Prozessgewinn

Pseudo Noise Sequence Pseudozufallsfolge

Push Service Zustelldienst

Quality of Service Dienstgüte

Release Ausgabe (eines Normenpaketes oder Softwarepaketes)

Resource Management Administration der Betriebsmittel

Resources Betriebsmittel

Routing Verkehrslenkung

Scrambling Verwürfelung

Sensitivity Empfindlichkeit

Service Provider Dienstanbieter, Diensterbringer

Session Sitzung

Session Layer Sitzungsschicht

Session Management Sitzungssteuerung

Short Message Kurznachricht

State Event Diagram Zustandsübergangsdiagramm

Subframe Teilrahmen

Sublayer Teilschicht

Subscription Vertragsabschluss, Subskription, Diensteinschreibung

Supplementary Services (SS) Zusatzdienste

Terminal Equipment Endgerät



Time Division Multiple Access Zeitvielfachzugriff

Traffic Model Verkehrsmodell

Transcoding Umcodierung

Transport Layer Transportschicht

Uplink Aufwärtsstrecke

User Equipment Teilnehmerausrüstung

User Plane Nutzerebene



Abkürzungen2G 2nd Generation (of Mobile Radio)

3G 3rd Generation (of Mobile Radio)

3GPP 3rd Generation Partnership Project (UMTS)

AAA Authentication, Authorization, Accounting

ADSL Asynchronous Digital Subscriber Line

AG Access Gateway

AP Access Point

API Application Programming Interface

ASP Application Service Provider

AuC Authentication Center

BER Bit Error Rate

BLER Block Error Rate

BSC Base Station Controller

BSS Base Station System

BTS Base Transceiver Station

CCBS Customer Care and Billing System

CDMA Code Division Multiple Access

CK Ciphering Key

CORBA Common Object Request Broker Architecture

CPE Customer Premises Equipment

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DIAMETER successor to RADIUS

DNS Domain Name Service

DSL Digital Subscriber Line

DVB Digital Video Broadcasting

DVB-S Satellite DVB

DVB-T Terrestrial DVB

EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution

EIR Equipment Identity Register

ERAN EDGE Radio Access Network

ETSI European Telecommunications Standards Institute



EU European Union

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

FER Frame Error Rate

FTP File Transfer Protocol

GERAN GSM/EDGE Radio Access Network

GGSN Gateway GPRS Support Node

GMLC Gateway Mobile Location Center

G-MS Gateway MSC

GPRS General Packet Radio Service GPS: Global Positioning System

GSM Global System for Mobile communication

HDTV High Definition Television

HLR Home Location Register

HSS Home Subscriber Server

HTTP Hypertext Transfer Protocol

IAM Initial Access Message

ID Identity

IDL Interface Description Language

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF Internet Engineering Task Force

IM Instant Messaging

IMEI International Mobile Equipment Identity

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IN Intelligent Network

INAP Intelligent Network Application Part

IP Internet Protocol

IPsec IP Security Protocol

IP-VPN IP Virtual Private Network

ISDN Integrated Services Digital Network

ISO International Organization for Standardization ISP: Internet Service Provider

IT Informations Technologie

ITU International Telecommunication Union

J2ME Java 2 Micro Edition



Kc Ciphering Key

LA Location Area

LAN Local Area Network

LBS Location Based Service

LLC Logical Link Control

LOS Line of Sight

MAC Medium Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MAP Mobile Application Part

MID Mobile Information Device

MMS Multimedia Messaging Service

MNC Mobile Network Code

MP3 Moving Pictures experts group 1 layer 3 standard

MPEG Moving Pictures Experts Group

MPLS Multi-Protocol Label Switching

MS Mobile Station

MSC Mobile Switching Center

MSIN Mobile Station Identification Number

MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number

MTP Message Transfer Part

NAT Network Address Translation

NSS Network Subsystem

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OMA Open Mobile Alliance

OMG Object Management Group

OSI Open Systems Interconnection

OSPF Open Shortest Path First

PCM Pulse Code Modulation

PDA Personal Digital Assistant

PHY Physical Layer

PLMN Public Land Mobile Network

PPP Point to Point Protocolg

PSTN Public Switched Telephony Network

P-TMSI Packet TMSI



QoS Quality of Service

RAB Radio Access Bearer

RADIUS Remote Authentication Dial In User Service

RAN Radio Access Network

RFC Request For Comments (IETF)

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RTP Real Time Transport Protocol

SAP Service Access Point

SAT SIM Application Toolkit

SCCP Signaling Connection Control Part

SCP Service Control Point

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SDP Service Discovery Protocol

SDU Service Data Unit

SGSN Serving GPRS Support Node

SIG (Bluetooth) Special Interest Group

SIM Subscriber Identity Module

SIP Session Initiation Protocol

SMS Short Message Service

SMSC Short Message Service Center

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SOAP Simple Object Access Protocol

SS7 Signaling Subsystem No 7

STP Signaling Transfer Point

TCAP Transaction Capability Application Part

TCP Transmission Control Protocol

TD/CDMA Time Division / Code Division Multiple Access

TDD Time Division Duplex

TDM Time Division Multiplex(ing)

TDMA Time Division Multiple Access

TE Terminal Equipment

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity

UDP User Datagram Protocol



UML Unified Modeling Language

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

URL Universal Resource Locator

USAT USIM Application Toolkit

USIM Universal Subscriber Identity Module

UTRA Universal Terrestrial Radio Access

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network

VLR Visitor Location Register

VPN Virtual Private Network

WAN Wide Area Network

W-CDMA Wideband CDMA

WLAN Wireless Local Area Network

WSDL Web Services Description Language

WWW World Wide Web

XML Extended Markup Language



Literatur(1) Andrew S. Tanenbaum, Computer Netzwerke, Pearson Studium; Auflage: 4.,

überarbeitete Auflage (2003); ISBN-13 978-3827370464

(2) Gerd Siegmund, Technik der Netze, Band 1 und 2, Band 1: Klassische Kommunikations-technik: Grundlagen, Verkehrstheorie, ISDN/GSM/IN - Band 2: Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN; VDE-Verlag; Auflage: 6., vollst. neu bearbeitete und erweiterte Auflage (2010); ISBN-13: 978-3800732203

(3) Eric Freeman et al, Head First Design Patterns, O'Reilly Media; Auflage: 1 (2004) ISBN-13: 978-0596007126

(4) Harald Orlamünder, Paket-basierte Kommunikations-Protokolle: Hüthig Telekommunika-tion; Auflage: 1 (2005) ISBN-13: 978-3826650468


Rechnerkommunikation und Vernetzung - DHBW Stuttgartsrupp/DHBW_5/resources/Uebungen... · Question...

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