PROFINET Handbuch
Je nach eingesetzter Bitrate werden die Signale bei Ethernet anders codiert.
Bei PROFINET IO wird die Verwendung von Fast Ethernet mit 100 MBit/s vorgeschrieben. Zur Illustration der Unterschiede, werden hier auch die anderen Übertragungsverfahren von Ethernet kurz aufgezeigt.
Ethernet
Beim ursprünglichen Ethernet wird die Manchester-Codierung eingesetzt. Der Empfänger kann dadurch den Empfangstakt aus den Daten zurückgewinnen. Bei einer Datenrate von 10 Mbit/s beträgt die Schrittgeschwindigkeit je nach Dateninhalt 10-20 MBaud.
Diese Manchestercodierung wird somit bei PROFINET nicht eingesetzt, da auschliesslich mit Fast-Ethernet gearbeitet werden soll.
Fast Ethernet
Bei Fast Ethernet wurde für den Physical Layer die Signalcodierung optimiert:
Immer für 4 Datenbit wird ein Symbol gebildet. Dieses Symbold wird für die Übertragung mit 5 Bit codiert und als wird als 4B/5B Codierung bezeichnet. Dieses zusätzliche Bit erlaubt die Definition von 16 zusätzlichen Symbolen, die für Steuerungszwecke z.B. als Begrenzersymbol für den Mediumszugriff oder Station Management eingesetzt.
Die zusätzlichen Symbole dienten bei FDDI zur Beschreibung des physikalischen Zustandes einer Verbindung zwischen zwei Stationen (Line State Symbols) und zur Übertragungskontrolle. Bei Fast Ethernet werden jedoch nur noch die speziell für die Rahmenbegrenzung definierten Symbole verwendet.
Der Hauptvorteil der 4B/5B-Codierung liegt jedoch darin, dass bei der Übertragung einer Nachricht nie mehr als drei Nullen hintereinander zu senden sind. Es kann daher ein einfacheres Bitcodierungsverfahren wie NRZI zur Anwendung kommen.
Nur die Hälfte der 25 Kombinationen werden bei Fast Ethernet genutzt.
Symbol |
Codierung |
Bedeutung |
Symbol-Typ |
|---|---|---|---|
0 |
11110 |
Null |
Data Symbol 0000 |
1 |
01001 |
Eins |
Data Symbol 0001 |
2 |
10100 |
Zwei |
Data Symbol 0010 |
3 |
10101 |
Drei |
Data Symbol 0011 |
4 |
01010 |
Vier |
Data Symbol 0100 |
5 |
01011 |
Fünf |
Data Symbol 0101 |
6 |
01110 |
Sechs |
Data Symbol 0110 |
7 |
01111 |
Sieben |
Data Symbol 0111 |
8 |
10010 |
Acht |
Data Symbol 1000 |
9 |
10011 |
Neun |
Data Symbol 1001 |
A |
10110 |
A |
Data Symbol 1010 |
B |
10111 |
B |
Data Symbol 1011 |
C |
11010 |
C |
Data Symbol 1100 |
D |
11011 |
D |
Data Symbol 1101 |
E |
11100 |
E |
Data Symbol 1110 |
F |
11101 |
F |
Data Symbol 1111 |
I |
11'111 |
keine Daten |
Control Symbol IDLE--' |
11000 |
Start of Stream immer |
Control Symbol J |
|
K |
10001 |
zusammen als (J+K) |
Control Symbol K |
T |
01101 |
End of Stream immer |
Control Symbol T |
R |
00111 |
zusammen als (T+R) |
Control Symbol R |
H |
00100 |
Transmitting Error |
Invalid Symbol H |
V |
OOOxx |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
V |
00101 |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
V |
00110 |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
V |
O1x00 |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
V |
10000 |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
V |
11001 |
undefiniert |
Invalid Symbol V |
Um auf der Ebene des Medienzuganges eine Datenrate von 100Mbit/s verfügbar zu machen, muss durch die 4B/5B-Codierung das Medium mit 125Mbit/s getaktet werden. Trotzdem haben wir eine Symbolrate von 25 MBaud, d.h. wird senden nur alle 40 ns ein neues Symbol.
Auf Kupferkabel wird der Bitstrom mit MLT-3 übertragen. Bei MLT-3 wird bei jeder „1" der nächst folgende Wert aus der Reihe 0, +1, 0, 1, 0, usw. angenommen. Der Vorteil dieser Codierung liegt in der dabei resultierenden tiefen Grundfrequenz von 31.25 MHz, so dass das so codierte Signal problemlos auf einem Kabel mit einer oberen Grenzfrequenz von 100 MHz (Kat. 5) übertragen werden kann.
Bei Lichtwellenleitern wird dasselbe Signal mit NRZI (Non-Return-to-Zero, Invert on Ones; ISO/IEC 9314-3 von 1989) codiert. Beim NRZI wird bei jeder zu übertragenden „1" in der Bitmitte ein Flankenwechsel erzeugt. Wogegen eine zu übertragende „0" keine Signaländerung verursacht.
Gigabit Ethernet
Bei Gigabit Ethernet stützte man sich bei der Definition des Physical Layers auf die bereits bewährte Fibre-Channel Technologie. So wurde auch die Bit-Codierung aus der bei FC genutzten ANSI Norm X.3230-1994 unverändert übernommen. Dabei wird für jedes zu übertragenden Byte ein 10 Bit Wert gesendet. Diese 8B/10B genannte Codierung erlaubt ebenso wie die 4B/5B Codierung die Rückgewinnung des Übertragungstaktes, zudem sind Ein- und z.T. auch Mehr-Bitfehler detektierbar und mit dem 10. Bit lässt sich eine DC-Kompensation erreichen.
Der so erstellte Bitstrom wird auf einem LW-Leiter wiederum mit NRZI übertragen. Auf Kupferkabeln wird heute ausschliesslich MLT-5 genutzt. Bei MLT-5 wird analog zu MLT-3 bei jeder „1" der nächst folgende Wert aus der Reihe „0", „+1", „+2", „+1", „0", „-1", ,„0", usw. angenommen. Ebenso liegt hier der Vorteil in der tiefen Grundfrequenz von 39MHz, so dass alle bereits vorhandenen Kat. 5 Kabel auch für diese Technik genutzt werden können.
Bei 10 Gigabit Ethernet wird für die Bit-Codierung aus je acht Bytes ein 66Bit Wert erzeugt. Diese Codierung erlaubt wie der 8B/10B Codierung eine Rückgewinnung des Übertragungstaktes, das Erkennen von Ein- und z.T. auch Mehr-Bitfehler und falls in Zukunft notwendig eine Kompensation des DC-Anteils im zu übertragenden Signal.
In der aktuellen PROFINET Version ist die Unterstützung von Gigabit Ethernet und 10 Gigabit Ethernet nicht vorgesehen. Wenn die Infrastruktur und die betroffenen Geräte für Gigabit Ethernet ausgerüstet sind, kann dies mit PROFINET der Klasse A oder B verwendet werden.
