Solutions. communiquent quand elles le veulent mais jamais en même temps : écouter avant de parler. Lorsqu une

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1 RÉSEAUX Ethernet industriel? une solution au point, mais relativement coûteuse Le succès d Ethernet dans les applications de bureautique, avec des prix très accessibles, donne des idées. Au point que certains le voient succéder aux bus de terrain actuels. Techniquement, sur le plan matériel, il y a tout ce qu il faut, le problème du déterminisme trouve même une solution avec le Fast Ethernet commuté. Reste qu il s agit d une technologie relativement complexe et coûteuse, surtout si l on recherche des produits capables de fonctionner dans des environnements industriels difficiles Quelques repères La technique CSMA/CD utilisée pour Ethernet 10 Mbit/s ne permet pas de faire des réseaux déterministes (temps réel) De plus, pour Fast Ethernet (100 Mbit/s), CSMA/CD limite à 200 m seulement la longueur du réseau Fast Ethernet commuté surmonte les limitations de CSMA/CD. Il est possible de réaliser des réseaux temps réel longue distance Mais la technique est coûteuse à mettre en œuvre Son histoire est jalonnée de débats passionnés, des concurrents ( token ring, MAP, ATM, etc.) ont par moments freiné sa marche en avant mais les faits sont là : Ethernet est aujourd hui le réseau de base de toutes les applications de bureautique et il est présent dans pratiquement tous les ateliers industriels. Ethernet assure la communication entre les équipements de production, les PC de supervision et les PC de contrôle/qualité. Il est également au cœur des Webserveurs qui commencent à apparaître dans les équipements industriels. Et aujourd hui, il est question d en faire un bus de terrain. Si Ethernet a pu franchir tous ces obstacles, c est parce qu il a beaucoup évolué au fil des ans. Et aussi parce que son inventeur a voulu en faire un standard ouvert. La création d Ethernet remonte aux années 70 et plus précisément aux travaux de Bob Metcalfe du laboratoire central de recherche de Xerox,basé à Palo Alto (en Californie).Très vite, Xerox décide de rechercher du renfort et s allie avec Intel et Digital Equipement (repris par Compaq par la suite). Les premières spécifications officielles d Ethernet (on parle aussi de DIX,en référence à la première lettre des trois associés) sont publiées en 1980, mais il faut attendre 1985 pour qu Ethernet devienne un standard officiel, avec la publication de la spécification IEEE de l IEEE. La première version d Ethernet précise que les stations présentes sur le réseau communiquent quand elles le veulent mais jamais en même temps : écouter avant de parler. Lorsqu une station communique, elle a un accès exclusif au support de communication. L émission sur le câble est entendue par toutes les stations. CSMA/CD. La méthode d accès sur Ethernet est appelée CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). C est une technique de gestion des conflits (contention technic), elle ne donne pas un accès exclusif au canal (comme le polling ou le jeton) mais essaye d éviter les conflits et les utilise comme une méthode d attribution du canal. Ethernet partagé Avec hubs (répéteurs) Segment A LAN Segment C Tous les participants du réseau partagent les performances et le débit du réseau (bande passante) du réseau. Tous les télégrammes (paquets de données) sont émis sur tous les segments. Un seul télégramme présent dans le réseau à un moment donné. Segment B Segment D 38

2 - CS, Carrier Sense (détection de l onde porteuse). C est la capacité à détecter tout trafic sur le canal (écouter avant de parler). Si la station qui veut émettre constate qu il y a un trafic sur le réseau, elle ne tente pas l émission, elle attend que la voie soit libre. - MA, Multiple Access (accès multiple). Chaque station a potentiellement accès au canal lorsqu elle a besoin d émettre, mais il faut que le canal soit libre. Il n y a pas d attente d attribution comme dans le cas des réseaux à jeton (polling), où il faut attendre l autorisation même si le canal est libre. - CD, Collision Detect (détection de collision). Normalement, une station n émet que s il n y a pas de trafic sur le réseau. Ou, pour être plus précis, elle n émet que si elle croit qu il n y a pas de trafic. Cela mérite une petite explication. Lorsqu une station se met à émettre, les bits émis mettent un certain temps pour arriver aux autres stations (du fait du temps de propagation du signal sur le câble). Supposons qu une deuxième station, veuille émettre avant que le message de la première soit parvenu à sa hauteur. Elle considérera que la voie est libre et émettra son message. Il y a alors collision des deux messages. Le standard Ethernet prévoit cette situation : chaque nœud émetteur est capable de détecter le changement de niveau d énergie et de l interpréter comme une collision. Lorsqu une collision se produit, les deux postes cessent immédiatement d émettre. Ils essaient ensuite à nouveau, après un délai librement choisi. Des spécifications précises. La première norme Ethernet a été établie pour un débit de 10 Mbit/s sur un câble coaxial.a ce débit, un bit occupe le signal électrique pendant 1/( )=10-7 s, soit 0,1 µs. C est ce qu on appelle la durée d un bit (Bit Time) ou BT. La norme Ethernet limite à 46,4 µs (464 BT) le temps aller/retour ( round trip delay ) d un signal entre deux émetteurs récepteurs les plus éloignés. Pendant cette durée, à km/s, le signal peut parcourir m ; comme il s agit d un parcours aller/retour, cela correspond à un réseau moitié moins long, soit 5336 m.voilà pour la théorie. En pratique, pour des raisons d atténuation du signal (et pour que la détection de collision fonctionne correctement), le signal doit être régénéré tous les 500 m. Pour régénérer le signal on utilise des répéteurs qui induisent un retard. Compte tenu de cela (et des performances des circuits électroniques en 1980), la taille maximale d un réseau Ethernet est limitée à 2800 m au lieu de 5336 m.avec un câble à fibre optique au lieu d un câble coaxial, il est possible de réaliser des réseaux de 4520 m de longueur. En plus du round trip delay de 46,4 µs, la norme Ethernet fixe également la durée du signal de brouillage (JAM) à une valeur comprise entre 3,2 et 4,8 µs (32 à 48 BT). L addition des deux donne le slot time (tranche canal), soit 512 BT ou 51,2 µs. Pour être sûr de détecter les collisions, il faut que les messages émis à 10 Mbit/s aient au moins une longueur de bit/s x 51, s = 512 bits, soit 64 octets (préambule exclu). La taille maximum d un paquet est fixée à 1518 caractères, afin de ne pas pénaliser les temps d accès et limiter la taille des mémoires tampons des émetteurs-récepteurs. CSMA/CD à 100 Mbit/s rendu possible grâce aux switchs En imposant une taille minimum de paquets de 64 octets (pour permettre la détection de collision en toutes circonstances), la norme Segment A 10 Mbits LAN Segment C Ethernet est très pénalisante pour le trafic interactif, où les informations ne dépassent pas une dizaine de caractères par paquet. Si la station a moins de 64 octets à émettre, elle doit compléter les données par des zéros jusqu au moment où le nombre exigé est atteint. Depuis la première mouture d Ethernet, il y a eu des évolutions importantes portant sur la vitesse de fonctionnement, portée à 100 Mbit/s (Fast Ethernet), voire 1000 Mbit/s (Giga Ethernet). Fast Ethernet est désormais couramment utilisé. La taille du paquet (1518 caractères), le format du paquet et le nombre maximum de stations (1024) restent inchangés par rapport à la version 10 Mbit/s. Par contre, les paramètres temporels retenus pour la première version de la norme sont évidemment modifiés. Une vitesse de 100 Mbit/s correspond à un Bit Time (BT) de 10 ns, l espace inter-trame de 96 BT dure 0,96 µs, et le slot time de 512 BT dure 5,12 µs. Les paquets Segment B Segment D 10 Mbits 10 Mbits 10 Mbits 100 Mbits 100 Mbits Séparation des charges :les données locales restent locales Ethernet commuté (avec switchs) Chaque segment dispose de l intégralité des performances et du débit du réseau (bande passante du réseau). Filtrage :seuls des paquets de données sélectionnés franchissent les limites du segment Traffic de données simultané dans plusieurs segments;plusieurs télégrammes en même temps 39

3 Avec les switchs intelligents, Fast Ethernet devient très simple à mettre en oeuvre. ne peuvent traverser que 2 hubs (répéteurs). Tous ces paramètres ont bien évidemment une incidence sur le résultat du calcul de la longueur maximale du réseau : celle-ci est limitée à 200 m seulement, au lieu des 2800 m de la version précédente.autant dire que si on voulait conserver strictement les options de l Ethernet d origine, il ne serait plus possible de faire grand-chose Pour résoudre ce problème, on fait appel au mode duplex intégral ou Full Duplex, qui est un mode de fonctionnement dans lequel les stations, contrairement au mode semiduplex utilisé jusque-là, peuvent envoyer et recevoir simultanément des données. Pour être mis en œuvre, le mode duplex intégral nécessite d utiliser des supports de transmission ayant des canaux d émission et de réception séparés, par exemple les fibres optiques ou la paire torsadée. En duplex intégral, la détection de collision est automatiquement désactivée au niveau des stations. En désactivant la fonction de détection de collision, il n est pas nécessaire de régénérer le signal comme c est le cas pour l Ethernet 10 Mbit/s. La distance de transmission peut ainsi être considérablement allongée : en duplex intégral, les distances peuvent atteindre les limites de puissance des composants émetteurs et récepteurs utilisés. Pour le standard 100Base FX, la longueur Quelques sigles à retenir Backbone. Appelé aussi dorsale ou segment tronc. Câble principal d où partent les câbles connectés aux ordinateurs, aux répéteurs et aux ponts. Câbles STP. Câble isolé et blindé, avec brins torsadés pour réduire les interférences. CâblesUTP. Similaire au câble STP, mais ni blindé et moins bien isolé. Thicknet. Câble coaxial épais (1,25 cm de diamètre) pouvant transmettre un signal sur 500 m sans répéteur. Thinnet. Câble coaxial mince (0,6 cm de diamètre) pouvant transmettre un signal sur 185 m sans répéteur. 10Base-2. Ethernet 10 Mbit/s sur un câble coaxial fin (voir thinnet). 10Base-5. Ethernet 10 Mbit/s sur un câble coaxial épais (voir thicknet). 10Base-FL. Ethernet 10 Mbit/s sur un câble à fibre optique. 10Base-T. Ethernet 10 Mbit/s sur une paire torsadée non blindée. avec des câbles à fibres optiques de 62,5/125 µm est fixée à 2000 m. En choisissant des éléments émetteurs et récepteurs particulièrement puissants, des distances de 3000 m peuvent être couvertes, voire 26 km avec des fibres optiques monomode 10/125 µm. Pour mettre en œuvre le mode full duplex, les hubs traditionnels, qui ne sont que des répéteurs non intelligents, ne peuvent pas être utilisés. Ce mode ne peut être mis en œuvre qu avec des composants capables de stocker les paquets de données, c est-à-dire des switchs (commutateurs). Ces switchs sont issus de la technologie des ponts filtrants d il y a plusieurs années. Des ponts filtrants aux switchs Les ponts filtrants travaillent au niveau 2 (couche liaison de données ) du modèle OSI de réseau (qui comporte 7 couches) et servent à relier deux réseaux. Ils traitent tous les paquets quelle que soit leur adresse de destination (Promiscuous Mode). Leur existence est liée au besoin d augmenter le nombre de stations, la taille du réseau et la bande passante globale du réseau. Principe de fonctionnement. Le pont ne transfère sur un segment que les paquets destinés aux nœuds situés sur ce segment. Le pont apprend l appartenance de nœuds à un segment 100Base-X. Fast Ethernet (100 Mbit/s avec protocole CSMA/CD). 100Base-TX. Fast Ethernet (100 Mbit/s) sur câble UTP/STP catégorie Base-T4. Fast Ethernet (100 Mbit/s) sur câble UTP/STP catégorie 3 (pour un fonctionnement correct, les 4 paires doivent être disponibles). 100Base-FX. Fast Ethernet (100 Mbit/s) sur câble à fibre optique Référence du standard IEEE régissant la méthode d accès CSMA/CD (accès multiple avec détection de collisions) u. Additif au standard 802.3, pour un débit de 100 Mbit/s x. Variante de 802.3, pour un fonctionnement en full duplex y. Variante de 802.3, pour un fonctionnement à 100 Mbit/s sur deux paires de câble UTP/STP catégorie z. Variante de 802.3, pour Ethernet gigabit (1000 Mbit/s). en constituant une table d appartenance des adresses sources aux segments. Il y a deux métriques pour caractériser un pont : - capacité de filtrage, c est-à-dire le nombre de paquets que le port peut examiner pour connaître leur appartenance au segment. Compte tenu de la taille minimale du paquet et du silence entre deux paquets, il faut filtrer, pour un débit de 10 Mbits/s, au minimum paquets par seconde. - Capacité de transfert, c est-à-dire le nombre de paquets par seconde que le pont peut transférer d un segment à l autre. La capacité de filtrage est le paramètre le plus important. Si elle est trop faible, cela entraîne un débordement du buffer d entrée (8 à 10 Ko). Les paquets destinés au même segment arriveront toujours, mais il y a un risque de perte de paquets destinés à l autre segment (buffer plein). La capacité de transfert est moins importante. En effet, un pont n a d intérêt que si la majorité du trafic est intra-segment. Sinon, le pont fonctionne comme un répéteur très lent et très cher. Certains ponts sont programmables, ce qui permet de réaliser le filtrage sur certains champs du paquet Ethernet. Grâce à leur capacité de filtrage, les ponts peuvent être utilisés pour segmenter un réseau trop chargé ou remplacer un répéteur. Les commutateurs ou switchs. L Ethernet commuté offre une alternative intéressante. En effet, il ne faut rien changer dans les configurations et les réglages des stations de travail et des serveurs. Les adaptateurs (cartes Ethernet) et le câblage restent inchangés. La largeur de la bande passante est simplement obtenue en remplaçant les hubs classiques par des switchs (ou switching Hubs). Dans ce cas, un nœud n envoie pas son paquet directement sur le réseau mais il passe par le switch. Celui-ci transmet alors ce paquet vers l adresse adéquate. Les autres nœuds n aperçoivent donc pas ce paquet et ne savent pas que le réseau est occupé. Ils peuvent donc émettre leurs propres paquets. En plus, toute collision entre différents paquets est rendue impossible. De ce fait, le principe du CSMA/CD (qui est le principe fondateur d Ethernet) n est plus d utilité. Les switchs embarquent de l intelligence Le centre nerveux d un switch est souvent équipé d un processeur RISC (Reduced Instruction Set Code) qui commande la logique de la commutation.autour de ce centre nerveux, il faut prévoir de la mémoire pour stocker les différentes données. Il existe deux 40

4 méthodes pour transmettre un paquet à sa destination : Store-And-Forward.Certains switchs enregistrent l ensemble du paquet, vérifient si tout est bien arrivé et l expédient à la destination. Cut-Through ou Worm Hole. D autres switchs analysent l en-tête du paquet pour savoir à quelle adresse il est destiné (Destination Address, MAC) et redirigent le paquet vers cette destination. Le lot n est donc pas mémorisé et la procédure d acheminement de l information est plus rapide. Le point faible est que les erreurs de communications ne sont pas détectées par le switch. La vitesse d un switch ne dépend pas seulement du mode de transmission des paquets. Elle dépend aussi du nombre de processeurs utilisés ainsi que de l intelligence des programmeurs qui lui ont donné sa logique dans chaque type de configuration. En effet, meilleure est la logique de détermination de la destination d un paquet, plus vite le paquet est acheminé. Dès lors, un switch Store-And- Forward intelligent peut être plus rapide qu un commutateur Cut-Trough mal conçu. Notons que la vitesse d un switch s exprime en lots par secondes et peut varier de quelques milliers à plusieurs millions de lots. Les tampons. Il existe plusieurs façons de mettre les lots en tampon. Certains switchs possèdent un petit tampon à chaque entrée, lequel s avère suffisant pour absorber les périodes de pointe au niveau des données. En effet, on n est jamais certain que deux nœuds ne vont pas essayer d atteindre la même destination au même moment (notamment lorsque le destinataire est un serveur). Dans ce cas, les lots correspondants à une des entrées sont mis en tampon pendant que le switch redirige les lots de l autre entrée vers la destination demandée. Ensuite, le switch s occupe du tampon de l autre entrée. Mais lorsque le volume de données est très important, les tampons des lots sont engorgés. Une solution consiste à prévoir un gros tampon auquel toutes les entrées peuvent accéder. Dans ce cas, le risque d engorgement est faible. Les adresses réseau (MAC Addresses). Un élément important à considérer est la quantité d adresses que le switch peut retenir. Cette quantité est déterminée par la logique du switch, sa capacité mémoire et sa puissance de traitement. La plupart des switchs peuvent traiter un nombre maximum d adresses par port et un nombre maximum total. L auto-apprentissage (Self Learning). En général, la configuration d un switch s avère extrêmement simple. Les switchs actuels sont de type Self Learning au niveau de la Logiciel Matériel Fonctionnalités des cartes Ethernet sur PC Logiciel Matériel Application Système d exploitation du PC Application Système d exploitation du PC MAC Address, ce qui facilite grandement l installation. En effet, le manager du réseau ne doit plus indiquer à chaque port les adresses des nœuds qui y sont connectés car le switch s en occupe lui-même. Du coup, il n est pas nécessaire d être un spécialiste en réseaux pour installer un switch. Un automaticien peut le faire sans problème. Le Backbone. On peut parfaitement utiliser un switch au niveau du croisement des segments et du Backbone. C est la raison pour laquelle les switchs permettent souvent de connecter un ou plusieurs ports sur des ports Carte Ethernet standard Dans cette solution,les ressources du PC (mémoire,temps du microprocesseur, ) sont allouées aussi au traitement des protocoles de communication vers les équipements (automates,contrôleurs, ),ceci au détriment de l applicatif supervision,base de données ou autre Ceci est d autant plus pénalisant que la plupart du temps les superviseurs font du polling vers les automates.ce problème peut être résolu si les automates (serveurs de données) envoient à leur propre initiative des données aux superviseurs.dans ce cas,cela peut devenir une contrainte pour l automaticien (modification du programme automate pour insérer un superviseur) Cette approche est utilisable pour les petites installations comportant 5 à 8 automates au maximum. Carte Ethernet intelligente Cette solution permet de soulager les ressources du PC (mémoire,temps du microprocesseur, ) afin d augmenter les performances générales du système.la carte de communication intelligente gère la totalité du stack (les 7 couches OSI) du protocole de communication sans utiliser les ressources du PC.Cette approche est toujours retenue pour les installations importantes,notamment celles basées sur des SNCC (Systèmes Numériques de Contrôle Commande),où on trouve jusqu à 15 à 35 contrôleurs/automates. 100 Mbps (100 Base-T). Ces ports sont utilisés pour les switchs entre eux ou pour une liaison haut débit vers des serveurs. Une solution coûteuse Les 7 couches du modèle OSI Les switchs ont beaucoup évolué au fil des ans et les processeurs RISC ont été remplacés par des ASIC (circuits intégrés spécifiques) très puissants.tous les ports supportent indifféremment 10 ou 100 Mbit/s. Grâce aux switchs actuels, les fonctionnalités des réseaux Ethernet ont été étendues et l installation est devenue beaucoup plus simple : 7 Application 6 Présentation 5 Session 4 Transport (TCP, UDP) 3 Réseau (IP) 2 Liaison de données 1 Support physique 41

5 Caractéristiques d un switch pour Fast Ethernet industriel Les switchs Fast Ethernet (100 Mbit/s) pour applications industrielles doivent être faciles à installer et présenter une grande robustesse. Critère Caractéristique Haute disponibilité Alimentations redondantes Interconnexion pour former des anneaux redondants pour supporter une défaillance unitaire de n importe quel composant Contact de relais, , trap SNMP pour signaler les dysfonctionnements. Management basé sur la technologie Web/management selon SNMP Fréquences de modification Câbles préconfectionnés pour relier les stations aux composants réseaux jusqu à 100 m Densité de terminaux Nombre de ports restreint, faible coût même avec une faible densité de terminaux Distances 3 km entre deux OSM, ou 18 km entre deux OSM ITP62-LD avec FO monomode 10/125 µm. Contraintes mécaniques Accélération en fonctionnement jusqu à 1 g (oscillation), 10 g (choc) Température de fonctionnement De 0 C à 60 C Certification UL, CSA, CE, FM Installation Montage sur rail DIN, Peu de règles de configuration Liaisons électriques < 100 m, 50 switchs maxi. dans un anneau redondant Maintenance et fonctionnement Intégration dans différents systèmes d information par un contact de relais, , ainsi que dans un système de management de réseau via SNMP doc. Siemens - selon le nombre d interface disponibles, les switchs peuvent relier temporairement plusieurs sous-réseaux entre eux. - Le filtrage du trafic de données d après l adresse Ethernet des terminaux permet de conserver au trafic local son caractère local. Le switch ne transmet que les données adressées aux abonnés d un autre sous-réseau. - Extension illimitée du réseau (jusqu à 150 km ou plus) par le cascadage de domaines de collision individuels ou de sous-réseaux (limitation due uniquement au temps de propagation des signaux). - Augmentation du nombre de stations connectables par rapport à un réseau Ethernet classique. - Confinement des défauts au sous-réseau concerné. Cette caractéristique est très intéressante dans les applications d automatismes. - Fonctionnement en full duplex, donc sans collisions, ce qui élimine les contraintes d installation comparativement à un Ethernet classique, où il fallait calculer les paramètres du réseau en fonction des caractéristiques recherchées, et recommencer les calculs dans le cas d une extension. Par ses caractéristiques, la technologie Fast Ethernet commuté permet d envisager d utiliser Ethernet comme bus de terrain dans l automatisation industrielle car on se rapproche d un réseau déterministe suffisamment performant pour les applications d automatisation industrielles habituelles, aussi bien dans le domaine manufacturier que dans celui des procédés continus Mais cette technologie a un coût. Il ne faut pas trop s emballer parce qu un progrès technologique n a de chance de s imposer que s il permet d atteindre une réduction des coûts Fast Ethernet est sensiblement plus coûteux qu un Fast Ethernet bureautique, ne serait-ce que parce que le prix d un switch est sensiblement plus élevé que celui d un hub (de 40 à 50 %). Si l on veut travailler en milieu industriel et éviter les problèmes en exploitation, il faut bien entendu prévoir des composants robustes (au niveau des câbles notamment, soumis à des contraintes mécaniques) et durcis (en température, vibrations, étanchéité, CEM, etc.), dont le prix est évidemment nettement plus élevé que celui de leurs homologues utilisés en bureautique. C est ainsi par exemple que la classique prise RJ-45 ne peut pas être utilisée Deux niveaux de connexion sur PC On connaît la formule : «Ethernet, ce n est pas cher.une carte de connexion Ethernet sur PC coûte à peine 300 F». Ici aussi, il faut faire la part des choses. La plupart du temps, la communication entre superviseur et automates est du type client/serveur où le client (le PC) effectue à son initiative des requêtes de lectures/écritures à destinations des automates. Avec une solution classique de carte PC Ethernet du commerce, les ressources du PC (mémoire, temps du microprocesseur, ) sont allouées aussi au traitement des protocoles de communication vers les équipements (automates, contrôleurs, ), ceci au détriment de l applicatif (supervision, base de données ou autre ). Ceci est d autant plus pénalisant que la plupart du temps, les superviseurs font du polling (interrogation) vers les automates. Ce problème peut être résolu si les automates (serveurs de données) envoient à leur propre initiative des données aux superviseurs. Mais dans ce cas, cela peut devenir une contrainte pour l automaticien, qui doit en tenir compte dans son programme (modification du programme automate pour insérer un superviseur).cette solution est utilisable pour les petites applications (de 5 à 8 équipements environ). Pour les applications exigeantes et/ou importantes, la solution carte intelligente permet de soulager les ressources du PC (mémoire, temps du microprocesseur, ) afin d augmenter les performances générales du système. La carte de communication intelligente gère la totalité du stack (les 7 couches OSI) du protocole de communication sans utiliser les ressources du PC. Ces cartes intelligentes, qui intègrent leur propre microprocesseur, mémoire RAM et flash, sont bien entendu nettement plus onéreuses qu un simple adaptateur réseau. Bruno Bouard Chef de produits Automatisation répartie Siemens Siemens Division Automation & Drives 39-47, bd Ornano St Denis Cedex 2 Tél. : Fax