Ethernet in der Messtechnik

Die Vorteile des Ethernets, um Messdaten zu übertragen

03.04.17 | Autor / Redakteur: Jörg Böttcher * / Hendrik Härter

Ethernet in der Messtechnik: Messdaten lassen sich komfortabel über Ethernet übertragen. Wir zeigen grundlegendes zur Topologie bis zur höheren Protokollen.
Ethernet in der Messtechnik: Messdaten lassen sich komfortabel über Ethernet übertragen. Wir zeigen grundlegendes zur Topologie bis zur höheren Protokollen. (Bild: Cybrain/Fotolia.com)

Der Ethernet-Anschluss findet sich fast überall in der Industrie. Wir zeigen im Beitrag grundlegendes zur Topologie bis zur Messdatenübertragung über einen Ethernet-Anschluss.

Eine steigende Anzahl von Messgeräten und Messdatenerfassungsmodulen ist mit einem Ethernet-Anschluss oder auch als Synonym Local Area Network = LAN ausgestattet. Im folgenden Text zeigen wir, wie über Ethernet Messdaten übertragen werden können und erklären die wichtigsten Eigenschaften von Ethernet.

Bei einer Verbindung über Ethernet sind alle Busknoten gleichberechtigt. Der Begriff Ether bedeutet im Deutschen Äther und deutet auf die ursprüngliche Anlehnung an ein Funkprotokoll hin. Die einzelnen Busknoten werden über sogenannte Hubs oder Switches miteinander verbunden (Bild 1). Es gibt somit stets nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Hubs und Switches sehen äußerlich meist identisch aus. Sie unterscheiden sich lediglich in ihrer internen Intelligenz.

Hubs verstärken die Signale jeweils nur zwischen allen aktiven Ports. Elektrisch gesehen sehen alle angeschlossenen Geräte – von kurzen Signallaufzeiten durch den Hub und über die Kabel abgesehen – stets dieselben Signale. Ein Busknoten darf bei Ethernet jederzeit ein Telegramm aussenden, sofern die entsprechenden Kabeladern, die er für das Senden benutzt, frei sind, also nicht von einem anderen Telegramm gerade belegt werden. Dabei kann es zufällig vorkommen, dass zwei oder mehr Busknoten gleichzeitig senden wollen - man spricht von einer Kollision.

Dabei entstehen undefinierbare Signalzustände, die jedoch von den beteiligten Sendern erkannt werden, worauf diese sofort die weitere Aussendung abbrechen. Nun läuft jeweils eine Zufallszeit in den Ethernet-Chips der beteiligten Sender los, nach deren Ablauf sie es jeweils erneut versuchen. Statistisch löst sich diese Kollision dadurch über der Zeit auf (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection).

Zwei leicht unterschiedliche Telegrammformate

Switches verfügen dagegen über integrierte Embedded-Computer, über welche die Ports angesprochen werden. Die in ihnen in hoher Geschwindigkeit ablaufende Firmware untersucht auf Ethernet-Telegrammebene, welches Zielgerät von einem sendenden Busknoten adressiert wird. Ein Switch stellt an einem Port eintreffende Telegramme nur an dem Ausgangsport zu, an dem ein Busknoten mit der entsprechenden Empfangsadresse angeschlossen ist. Sobald ein Busknoten an einem Port angeschlossen wurde und zum ersten Mal selbst ein Telegramm gesendet hat, ordnet der Switch diese Adresse fest dem entsprechenden Port zu.

Er lernt die Zuordnung automatisch, ohne dass er konfiguriert werden muss. Ist kein Busknoten mit der entsprechenden Empfangsadresse angeschlossen, so leitet der Switch das Telegramm an alle mit einem Busknoten versehenen Ports. Auf diese Weise kann ein Telegramm auch zu einem Empfänger gelangen, der über weitere zwischengeschaltete Switches erst erreicht werden kann. Switches reduzieren den gesamten Busverkehr deutlich, sofern die überwiegende Kommunikation jeweils zwischen Busknoten innerhalb eines sog. Netzwerk-Segments um einen Switch herum stattfindet.

Ein Ethernet-Anschluss arbeitet mit dem in Bild 2 gezeigten Telegramm. Streng genommen gibt es zwei ganz leicht unterschiedliche Telegrammformate: Das im Bild gezeigte, von üblichen Computern meist benutzte DIX-Telegramm, ist nach dem früheren Konsortium der drei Unternehmen Xerox, DEC und Intel benannt. Sie hatten in den 1980er-Jahren die Verbreitung von Ethernet in der Bürokommunikation vorangetrieben.

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