Para garantizar el funcionamiento en tiempo real en una red y por lo tanto para evitar los fallos, los retrasos de las tramas deben ser lo más breves posible y la comunicación debe ser determinista. Se ha realizado una comparación entre Fast Track Switching de HARTING y la tecnología de conmutación convencional (un switch

PROFINET gestionado disponible en el mercado) en el laboratorio de pruebas de HARTING (CTS) mediante la medición de los retrasos en dos tipos de switch y en una topología lineal.
En la tecnología de redes se distinguen dos tecnologías de conmutación: Store & Forward y Cut- Through. Muchos switches de Ethernet industrial funcionan en el modo Store & Forward, en el que las tramas entrantes se almacenan temporalmente en el switch antes de ser enviadas. En la tecnología Cut-Through, la trama se transmite en el momento en que se reconoce la dirección de destino. La tecnología Fast Track Switching de HARTING identifica las tramas de automatización (por ejemplo PROFINET), les da prioridad sobre las tramas de TI y las envía en el modo Cut-Through.

 

Las diferentes tecnologías de conmutación se pueden comparar determinando las latencias. Este parámetro, que describe el tiempo de permanencia de una trama en un switch, se define en los documentos técnicos RFC 2544 y RFC 1242.

Latencia de un solo dispositivo
En una medición comparativa se examinó la latencia de las longitudes de trama mínima y máxima para 64 bytes y 1.518 bytes (ver tabla 1). Los parámetros de todas  las mediciones fueron una velocidad de transmisión de datos de 100 Mbit/s, una longitud máxima del cable de ocho metros, tráfico de datos bidireccional y empleo del método de envío de bits para medir la latencia. La tecnología FTS redujo la latencia en 64 bytes a prácticamente la mitad que con la tecnología Store & Forward, utilizando como ejemplo un switch PROFINET disponible en el mercado. Además, la latencia es independiente de la longitud de la trama con FTS.

Retraso de las tramas en la red
El retraso de las tramas en una red depende de parámetros como la latencia, el número de switches en uso, la carga de la red, la longitud de la trama, la velocidad de transmisión de datos, la topología, el número de usuarios y la longitud del cable. Se seleccionaron configuraciones de medición con dos u ocho dispositivos en una topología lineal para examinar estos parámetros.

 

 

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Con estas configuraciones, se reprodujo un caso práctico en el que un controlador (p. ej., un PLC) accedía a un accionador (p. ej., una unidad de disco), mientras que al mismo tiempo una aplicación de oficina pasaba por la misma ruta de la red (ver figura 1). Las tramas más cortas que se utilizan normalmente en la tecnología de automatización se pueden ver afectadas por el tráfico de tramas de TI más largas.

Se puede hacer una comparación entre la tecnología Store & Forward y la tecnología Fast Track Switching de HARTING en una configuración con dispositivos FTS porque FTS funciona en el modo Store & Forward si no se envían tramas de automatización al switch. Para realizar la medición se enviaron tramas cortas con 64 bytes a través de un puerto y se introdujeron tramas largas con 1.518 bytes a través de un segundo puerto.

Como el retraso de las tramas depende del tráfico, se estableció una diferenciación entre el rendimiento máximo y el mínimo. El tráfico de datos en la entrada se escogió de modo que se alcanzase un rendimiento máximo del 100 % en la salida del primer switch (figura 2). Por lo tanto, el  rendimiento fue el resultado de una carga aproximada del 5 % en el puerto con longitudes de paquete de 64 bytes y una carga aproximada del 95 % en el puerto con longitudes de paquete de 1.518 bytes. Las abreviaturas P e I que se utilizan (figura 2) hacen referencia al preámbulo (8 bytes) y al espacio entre tramas (mínimo 12 bytes) que se definen en la norma de Ethernet. El rendimiento mínimo se consiguió ampliando el espacio entre tramas en el puerto de las tramas largas (carga parcial prácticamente del 0 %). No se cambiaron las condiciones en el puerto de los paquetes cortos. El resultado fue un rendimiento de aproximadamente el 5 %.

Realización del experimento
En primer lugar se realizó el experimento con tramas sin acelerar, de forma que las condiciones de Store & Forward se dan de forma muy general. (Los retrasos de los paquetes cortos de 64 bytes se muestran en la Figura 3).

La gran dispersión de las latencias acumuladas entre el rendimiento máximo y el mínimo es especialmente clara. Llama la atención el máximo retraso de las tramas medido en el modo Store & Forward, de 887,6 µs. Este tiempo se debe a las tramas de 1.518 bytes. Al salir del switch, los paquetes largos ocupan el puerto de salida  durante aproximadamente 123 µs, por lo que los paquetes cortos se retrasan varias veces. Como este embotellamiento no se produce en el último switch, este retraso sucede un máximo de siete veces.  También se registró una curva de respuesta con un rendimiento relativamente bajo del 35 %. El retraso medio de las tramas medido aquí para ocho dispositivos fue ya de 825,5 µs. Esto quiere decir que, en una aplicación real, rara vez es posible contar con retrasos breves de las tramas con la tecnología Store & Forward.

El experimento también implicaba el envío de tramas de automatización al puerto de 64 bytes. El FTS las reconoció y las aceleró.  Igual que anteriormente, se enviaron tramas de TI largas al otro puerto. Se volvieron a medir los retrasos de las tramas en los dos casos con el rendimiento máximo y el mínimo. Como muestra la Figura 3, la dispersión del retraso de las tramas se redujo considerablemente. El retraso máximo de las tramas para ocho switches se redujo de 887,6 µs en el modo Store & Forward a 45,1 µs.
Esto fue posible porque la tecnología FTS permite que las tramas de automatización pasen delante.

Resultado
El resultado de la medición muestra las claras ventajas de Fast Track Switching de HARTING: al usar Fast Track Switching de HARTING, la latencia de las tramas breves es solo la mitad que la latencia detectada cuando se utiliza un switch PROFINET gestionado convencional con clase de conformidad B. Además, este resultado es independiente de la longitud de las tramas. En un ejemplo de aplicación con ocho switches en topología lineal, se demostró que la tecnología FTS transmite las tramas a  una velocidad considerablemente mayor que Store & Forward. El Fast Track Switch reduce significativamente la dispersión del retraso de Store & Forward, que depende en gran medida de la carga de la red.

Perspectiva
Las funciones de gestión y el stack PROFINET IO no influyen en el examen del rendimiento.  Sin embargo, el stack PROFINET IO ofrece la ventaja de que la herramienta de ingeniería permite a los usuarios ver, configurar y diagnosticar el switch. En breve, HARTING ofrecerá también switches FTS gestionados que incorporarán el stack PROFINET IO además de diversas funciones de gestión. El stack PROFINET IO simplificará la configuración y el diagnóstico de dispositivos en un entorno PROFINET. En las herramientas de configuración para la planificación de redes, como por ejemplo Siemens Step 7, los switches se integran en las bibliotecas del dispositivo a través del archivo GSD. Durante el funcionamiento, los diagnósticos que se realizan se transmiten al entorno de control de forma normalizada y los usuarios pueden acceder a ellos de la forma habitual.

Estas comodidades simplifican el trabajo con los componentes sin influir en el rendimiento. En combinación con la tecnología Fast Track Switching integrada que permite mejorar el rendimiento, ahora un sistema de comunicación con Ethernet estándar permitirá también cumplir los requisitos del nivel de campo. Por lo tanto, la idea de una red Ethernet convergente, desde el nivel de control hasta el nivel de campo, se ha hecho ya realidad. HARTING se centra de forma sistemática en estos conceptos orientados hacia el usuario con su gama de productos de Automation IT.

Autores:

Torsten Halstenberg, Lab Engineer, Germany, HARTING Technology Group, Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Thomas Korb, Director Product Marketing ICPN, Germany, HARTING Technology Group, Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Julia Noel, Lab Engineer, Germany, HARTING Technology Group, Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

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