ETHERNET SE RAPPROCHE DES BUS DE TERRAIN

021_DOS 9/02/05 14:40 Page 21
Dossier
Ethernet Dans sa longue histoire, Ethernet
est longtemps resté en marge
des applications industrielles.
Les choses sont en train
de fortement changer.
Les fabricants d’instruments de
mesure, de systèmes d’acquisition
de données et d’équipements
d’automatismes s’intéressent
désormais fortement à lui.
ETHERNET
SE RAPPROCHE
DES BUS DE TERRAIN
SOMMAIRE
Les industries de l’instrumentation et des automatismes ont de tout temps
cherché à profiter des avancées technologiques faites dans d’autres disciplines
(le grand public, la gestion, le militaire, le médical, etc.). Ethernet, par sa diffusion
de masse dans la bureautique, a vite suscité de l’intérêt. Mais cette technologie
n’était pas suffisamment mature. Ces dernières années, avec l’augmentation des
débits (on en est au gigabit/s) et l’avènement des switchs (réseaux commutés), le
monde industriel a reconsidéré Ethernet. Et son lien direct avec Internet a encore
accéléré le mouvement.
Pratiquement tous les instruments de mesure électronique et les contrôleurs
d’automatismes ont aujourd’hui un port Ethernet. Les composants durcis, montables sur rail Din, alimentés en 24 V facilitent l’intégration en ambiance industrielle. L’émergence des solutions temps réel, des redondances, de synchronisation précise des stations connectées va accentuer le mouvement. Il reste encore à
améliorer les aspects temps réel, à diminuer les coûts et régler les problèmes de
sécurité pour faire sauter de nouveaux verrous.
Page 22
Standards : Ethernet depuis
ses origines jusqu’aux
normes actuelles
Page 25
Ethernet industriel soulève
beaucoup de questions…
Page 28
L’IEEE 1588, un protocole
pour une synchronisation
précise des équipements
Page 32
Profinet temps réel arrive
Page 35
Ethernet Powerlink,
un standard
déjà bien établi
Page 39
Dossier réalisé par Jean-François Peyrucat
MESURES 772 - FÉVRIER 2005
Bystronic
Quelques produits
21
022_024_DOS
9/02/05
14:42
Page 22
Dossier Ethernet
STANDARDS
Ethernet depuis ses origines
jusqu’aux normes actuelles
▼
Autrefois réservé aux communications entre ordinateurs, Ethernet s’impose de plus en plus comme standard de communication pour les instruments de mesure (oscilloscopes, enregistreurs, caméras, etc.) et les équipements d’automatismes
(automates, robots, etc.). Ces nouvelles conquêtes, ils les doit aux progrès technologiques incessants et à un travail de normalisation ininterrompu. Ethernet a gagné en vitesse, en robustesse (connecteurs, câbles et composants durcis), il s’intéresse de plus en plus au temps réel. A côté de ces atouts très appréciés des industriels, il a quand même un défaut : ouvert à
tous les vents, il est vulnérable aux attaques de virus…
L
orsqu’à la fin des années 70 les
ingénieurs de Xerox mirent au point
le réseau Ethernet, ils ne se doutaient certainement pas de
l’ampleur qu’il allait prendre. Le protocole
utilisé se distingue d’emblée des protocoles
classiques de type maître-esclave ou à jeton,
où une station ne peut émettre que quand
elle reçoit un signal d’autorisation. Avec
Ethernet, il n’y a pas d’autorisation à
attendre. Simplement, avant d’émettre, une
station doit écouter le réseau pour s’assurer
qu’il n’y a pas de communication en cours :
c’est le protocole CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Dans le cas où plusieurs stations voudraient émettre en même temps,
un système de détection de collision a été
mis en place (CD : Collision Detection). La
tentative de communication est alors avortée
et chaque station fait une nouvelle tentative
après un temps aléatoire, différent d’une station à l’autre. Le risque de collision est alors
beaucoup plus faible (mais il reste présent
car au moment où une station fait une tentative de communication, il est possible que
d’autres cherchent ausL’essentiel
si à accéder au réseau).
En 1983, le protocole
Ethernet, c’est déjà plus de
se normalisa (IEEE
20 ans d’expériences
802.3). Les équipe Avec l’arrivée des switchs
et des connexions full
ments furent alors
duplex, Ethernet a cominterconnectés en bus
mencé à s’intéresser sérieuvia un câble coaxial
sement aux applications
(prise BNC) de
temps réel
50 ohms RG58 fin
Les topologies ont évolué
(5 mm : norme
elles aussi : pour les applications industrielles, les
10Base2 ou 802.3a,
réseaux en anneau et en
publiée en 1985) ou
bus sont mieux adaptés
épais (10 mm :
que les réseaux classiques
10Base5). Le 10 Base5
en étoile
n’est pratiquement plus
La sécurité (la sensibilité aux
utilisé que dans les
virus) reste un problème
environnements per-
22
turbés (rayonnement électromagnétique) ou
lorsque l’on veut garantir la confidentialité
des échanges (pas de rayonnement du câble
coaxial).
C’est à cette même période que des
constructeurs comme Bay Networks proposèrent de réutiliser les câbles téléphoniques, pour diminuer les coûts de
câblage. Ceux-ci sont constitués de
paires torsadées en cuivre, partant d’un
concentrateur (ou hub) vers les équipements. On passa alors à une topologie
en étoile. IEEE nomme 10BaseT ce
concept à 10 Mbps, les connecteurs sont
de type RJ45.
Les réseaux 10BaseFL, 10BaseFB et
10BaseFP qui allaient suivre reposent sur
le même principe, mais avec un support
différent : la fibre optique. Cette dernière
utilisée au départ pour interconnecter les
réseaux à distance (protocole FOIRL : Fiber
Optic Inter Repeater Link, IEEE 802.3d en
1987), a été adaptée pour les réseaux
locaux. 10BaseFL a été la première normalisation du concept. Le 10BaseFB apporte
en sus un diagnostic d’erreur, à distance.
Quant au 10BaseFP, il spécifie l’utilisation
de concentrateurs passifs. Ne comportant
pas de composants électroniques, il est
insensible aux perturbations électromagnétiques.
Le switch full duplex,
intéressant pour le temps réel
Par la suite, Ethernet connut deux tournants. Le premier survient en 1990 avec
l’apparition des commutateurs ou switchs.
C’est une grosse avancée par rapport aux
hubs utilisés jusque-là. Le concentrateur
(hub) renvoyait les paquets entrants vers
toutes les branches qui lui étaient associées.
Lorsque le réseau était fortement sollicité,
les collisions étaient multiples. Le switch
évite cela. S’appuyant sur le principe de
commutation des standards téléphoniques
(en associant les terminaux aux ports), les
informations transitent directement du
port de la source vers celui du destinataire. Les risques de collisions sont nécessairement diminués.
IEEE normalise cette topologie étoile en
standard 802.3i pour les paires torsadées
et 802.3j en fibre optique. L’apparition du
switch a donné un sérieux coup de vieux
au hub.
Le second tournant vint avec l’augmentation du débit. L’apparition du Fast Ethernet (100 Mbps) ou 100BaseT débouche en
1995 sur un nouveau standard, le 802.3u.
Deux ans plus tard, le full duplex associe
un sens de communication à une paire. Le
câble supporte donc les échanges de données dans les deux sens. Le risque de collision en est donc écarté. Le CSMA/CD n’est
plus (ou presque) utilisé. Ethernet s’apparente à un “protocole temps réel”.
Depuis, les débits n’ont cessé d’augmenter et
on parle aujourd’hui couramment de gigabit Ethernet.
Les topologies en bus
et en anneau reviennent
Ethernet est le standard des réseaux tertiaires. Sa topologie la plus courante est
celle en étoile. Les différentes machines
sont connectées à un switch, qui est luimême relié à un commutateur central
de cœur de réseau. Les différents LAN
(réseaux locaux) sont interconnectés au
travers de routeurs. Les câbles utilisés
sont les paires torsadées et fibres
optiques.
Ce type d’architecture (dite “structurée”) se
rencontre en industrie avec quelques adaptations de façon à ce que sa gestion soit
souple et décentralisée. C’est par exemple le
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
022_024_DOS
9/02/05
14:42
Page 23
Dossier Ethernet
Principe du CSMA / CD
Station 1
Trame 1
CSMA
Trame 2
Station 2
Trame 3
Station 3
Tentative
d'émission
simultanée
Délai aléatoire
CSMA/CD
Trame 4
Station 4
La station qui veut envoyer des données sur le réseau doit commencer par s’assurer que celui-ci est libre. Si ce n’est pas le cas, elle attend. Ici, la station 2 écoute le réseau et s’aperçoit que la station 1 diffuse. Elle
attendra pour émettre à son tour.
Les stations 3 et 4 souhaitent émettre et s’assurent que le réseau est libre. Mais elles émettent simultanément. Il y a collision. La tentative d’émission est avortée. Les deux stations referont une nouvelle tentative
un peu plus tard, après un délai aléatoire.
cas pour la connexion des automates à un
serveur de supervision. Des stations peuvent
servir de relais entre les automates et le PC
central.
Cette architecture a pour inconvénient d’être
plutôt lourde à mettre en œuvre (un câble
pour chaque équipement, de nœud à
nœud, etc.). Les industriels préfèrent des
topologies en bus ou en anneau.
Pour les bus, le coaxial épais (style 10Base5)
sera privilégié pour faire face aux perturbations électromagnétiques.
Les réseaux en anneau peuvent être mis
en œuvre avec n’importe quel support
(cuivre, fibre ou coaxial). Leur intérêt
est la redondance naturelle des liens (si
l’un “tombe”, l’autre prendra le relais).
C’est le cas de l’Hiper Ring proposé par
Hirschmann. Le chemin alternatif est validé en moins de 500 ms (voire bientôt
en 50 ms).
De façon plus générale, la redondance est
aussi importante lors de la conception des
appareils (alimentation, ventilateurs…) que
L’importance du choix du support de transmission
envisagés. Il existe quatre types de câbles. UTP (Unshielded
Txisted Pair) est une première catégorie non blindée. En
milieu perturbé, son utilisation est bien évidemment à bannir. Deux blindages sont possibles. Le premier, STP (Shielded Twisted Pair) consiste à insérer une tresse métallique.
Le second, FTP (Foiled Twisted Pair), est constitué d’une
mince feuille d’aluminium ou feuillard. La combinaison des
deux, SFTP, donne un plus dans un enviLes principales catégories de câbles
ronnement perturbé. Notons aussi que
le fait de croiser perpendiculairement
Coaxial
avec une ligne à courant fort n’altère
Thin
Câble fin
Lié au protocole 10b2, il n’est presque plus utilisé
pas des données.
Thick
Câble épais
Lié au standard 10b5, il est peu sensible
Les connectiques associées doivent
aux perturbations électromagnétiques
également être adaptées à l’environnePaires torsadées
ment. Les prises RJ45 standards ont été
UTP
Unshielded Twisted Pair
Câble non blindé
améliorées pour assurer l’étanchéité et
STP
Shielded Twisted Pair
Câble blindé avec une tresse métallique
la robustesse mécanique nécessaires.
FTP
Foiled Txisted Pair
Câble blindé avec une mince feuille d’aluminium
Un autre type de connecteur semble
ou feuillard
être en passe de s’imposer : il s’agit du
SFTP
Shielded Foiled Twisted Pair Câble reprenant les propriétés STP et FTP
connecteur cylindrique M12.
Les liaisons en milieu industriel sont souvent soumises à
des perturbations extrêmes. Le choix des composants utilisés et plus particulièrement du support de transmission est
donc essentiel. En ambiance perturbée, la fibre optique (FP)
semble être le support le mieux approprié, le coaxial épais
peut être aussi envisagé.
Certains types de paires torsadées peuvent également être
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
23
022_024_DOS
9/02/05
14:42
Page 24
Dossier Ethernet
pour la topologie du réseau. En étoile, il
existe le Spanning Tree (STP, RSTP, MSTP)
qui permet de faire face aux ruptures de liaison en proposant des chemins alternatifs.
Le temps de bifurcation est inférieur à la
seconde. Une autre technique est le Load
Balancing. Celle-ci consiste à considérer
deux liens redondants et de considérer un
maître (à défaut, un esclave) actif quand le
maître ne répond pas.
Sécurité : ça reste un problème
La force d’Ethernet, c’est d’être un
réseau ouvert, accessible à tous les équi-
Les premiers réseaux Ethernet à 10 Mbps
Coaxial
10Base2
10Base5
câble “fin” (5 mm)
câble “épais” (10 mm)
Petits réseaux (distance du bus : 200 m et pour 30 stations)
Réseau fédérateur (distance du bus : 500 m pour 100 stations)
10 Mbps cuivre
distance maximale d’une branche : 100 m
10 Mbps fibre
10 Mbps fibre
10 Mbps fibre
Idem, avec concentrateurs passifs
Interconnexion de sites. Distance maximale : 1 000 m
Réseaux. Distance maximale : 2 000 m
Idem avec diagnostic d’erreurs
Idem avec concentrateur passif. Distance : 500 m
Cuivre
10BaseT
Fibre optique
FOIRL
10BaseFL
10BaseFB
10BaseFP
Les normes Ethernet réseaux en étoile
Réseaux 10 Mbps
802.3i
802.3j
10 Mbps
10 Mbps
1990 - Première normalisation des réseaux en étoile cuivre à 10 Mbps
1990 - Idem avec fibre optique
100 Mbps
100 Mbps
1995 - Fast Ethernet
1997 - Full duplex : une paire cuivre ou fibre par sens.
1000 Mbps
1000 Mbps
1998 - Gigabits Ethernet
1999 – Gigabits Ethernet sur paires torsadées
10 Gbps
10 Gbps
10 Gbps fibre
10 Gbps cuivre (à venir courant 2005-2006)
Télé-alimentation
Les données et l’alimentation électrique transitent par le même câble
(paires torsadées uniquement)
Réseaux 100 Mbps
802.3u
802.3x
Réseaux 1000 Mbps
802.3z
802.3ab
Réseaux 10 Gbps
802.3ae
802.3an
Télé-alimentation
802.3af
Les normes IEEE de gestion de flux
dans les commutateurs
24
802.1D
Transparent Bridge
802.10
802.1P
802.1Q
Priorisation des paquets
Tagging des paquets
Cette norme précise le fonctionnement d’un commutateur. A chaque port
est associé un groupe d’adresses MAC relatifs à des équipements donnés.
Si une machine A désire communiquer avec une B, le switch recherchera le destinataire
dans ses tables et liera les deux ports associés. Si son adresse n’est pas présente,
le commutateur émettra un “broadcast” pour localiser B et l’entrer dans ses stables.
Correspond aux besoins de segmentation du trafic et de sécurité
Association de chaque paquet une priorité donnée
La gestion des priorités de paquets est gérée de manière implicite depuis
le commutateur ou explicite en les marquant physiquement.
pements, et plus particulièrement aux
PC. C’est aussi son talon d’Achille. Ethernet peut en effet serveur à véhiculer des
virus qui peuvent perturber gravement
le fonctionnement d’une installation. Du
coup, la sécurité est le cheval de bataille
actuel de nombreux administrateurs systèmes et réseaux (règles de firewalling,
VPN, antivirus, cryptographie…). Si les
conséquences d’une malveillance en
milieu tertiaire peuvent être assez
néfastes, celles en industrie sont nettement plus graves.
Idéalement, les réseaux d’usine et de
bureau devraient être dissociés. Mais
malheureusement, ce n’est pas toujours possible. Des règles de firewalling doivent être en sus appliquées
pour ne filtrer que les ordinateurs
autorisés à superviser les machines. De
la même façon, il est utile de mettre
au point des VPN sécurisés pour les
accès distants. Une autre solution
consiste à implémenter le protocole
802.1x, qui normalise un relais
d’authentification auprès d’une base
Radius… en niveau 2. Ceci peut être
utilisé notamment pour la supervision
des équipements depuis des postes extérieurs.
Toujours est-il que l’apport de la sécurité ralentit forcément le système et
dans ces conditions il est préférable de
ne pas avoir des exigences temps réel
trop fortes.
Une alternative
aux bus de terrain ?
Les contraintes de temps réel et de sécurité semblent ainsi laisser encore de
beaux jours aux bus de terrain. Pourtant,
Ethernet est de plus en plus rapide (le
10 gigabits cuivre sera bientôt disponible), les commutateurs évitent les collisions qu’on rencontrait jadis avec les
hubs, la qualité de service semble aussi
être mieux gérée...
Toutefois, de par sa simplicité, le protocole n’est pas sécurisé. L’implémentation de liens redondants blindés et de
systèmes de sécurisation logiques (parefeu, VPAN, Qualité de Service) va nettement alourdir le coût et brider les performances.
Pour s’affranchir des risques de virus,
la solution la plus simple serait de
séparer les réseaux, et bannir bien évidemment des accès vers l’extérieur,
mais ce n’est pas toujours possible.
FL
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
025_027_DOPE772 Club Automation 9/02/05 14:43 Page 25
Dossier Ethernet
JOURNÉE-DÉBAT DU CLUB AUTOMATION
Ethernet industriel soulève
beaucoup de questions…
▼
Le Club Automation a organisé récemment une journée débat sur Ethernet industriel. Si les développements en cours présentent un intérêt que personne ne conteste, ils soulèvent aussi beaucoup d’interrogations, notamment en termes de
coût et de sécurité…
2
P
ratiquement tous les instruments
de mesure et les équipements
d’automatismes industriels comportent désormais une interface
Ethernet. Il n’y a donc pas beaucoup de place pour le doute : après avoir terrassé tous ses
concurrents dans les applications bureautique, Ethernet va s’imposer dans les applications industrielles. Dans ces conditions,
on pensait que la journée Ethernet organisée
par le Club Automation au mois d’octobre
serait un plébiscite en faveur de ce réseau.
Ce triomphe annoncé était d’autant plus
assuré que la plupart des intervenants étaient
des fournisseurs de produits Ethernet, et
qu’on ne s’attendait donc pas à ce qu’ils aient
de la retenue. Et puis, ça ne s’est pas passé
comme prévu. C’est surtout PSA qui est venu
gâcher la fête. Le constructeur automobile
utilise massivement Ethernet dans ses applications bureautique et même dans certaines
applications d’atelier (pour réaliser les communications entre les unités centrales et les
équipements industriels intelligents, tels que
des robots et des visseuses par exemple).
Mais pas question de descendre au niveau
des entrées/sorties et des capteurs/actionneurs, a indiqué Laurent Mauguy (PSA), en
conclusion de son intervention : « Pour prétendre remplacer un réseau de terrain, Ethernet devra
démontrer qu’il apporte une avancée concrète par rapport
aux solutions actuelles ». Sous-entendu : ce n’est
pas le cas actuellement.
La conclusion est sévère mais les interventions qui avaient précédé avaient en quelque
sorte préparé le terrain. A commencer par
celle de Jean-Dominique Decotignie (CSEM)
qui avait débuté la journée en rappelant ce
qu’est Ethernet, ses avantages et ses inconvénients.
Haut débit n’est pas synonyme
de temps réel
Il fut beaucoup question de temps réel. Un
vieux reproche fait à Ethernet dans sa version courante, c’est son manque de déter-
1
4
3
3
Quelques exemples des "acquis" des bus de terrain que PSA aimerait oublier avant de passer à Ethernet industriel !
1- Boîtier de coupleur de bus ouvert dans un chemin de câbles.
2- Non respect des rayons de courbure (mauvais passage du signal, câble abimé.
3- Câbles de puissance au voisinage des câbles bus de terrain (Profibus).
4- Mise à la terre des câbles réseau… avec des colliers isolants.
minisme, lié au mécanisme CSMA/CD, qui
oblige une station à attendre si le réseau est
occupé, et à attendre à nouveau si, au
moment où elle veut prendre la ligne, une
autre se met à émettre (détection de collision). « C’est vrai que l’on ne peut pas garantir qu’un
message passera dans un temps borné. Mais il faut relativiser. Dans les applications industrielles de terrain, les
industriels utilisent à peine quelques pourcents de la bande passante de leur réseau Ethernet. Autant dire qu’il est
quasiment temps réel et ce n’est pas forcément la peine
de faire appel à un “Ethernet temps réel”… ». Il faut
savoir qu’un Ethernet temps réel, qu’il soit
basé sur du logiciel (organisation de la gestion du trafic) ou du matériel (utilisation de
switchs au lieu de hubs), introduit des
retards dans les transmissions de données.
Cependant, ce retard est connu et le temps
de rafraîchissement d’une station est borné,
ce qui répond à l’attente des industriels. Pour
les applications temps réel, une avancée
importante est apparue récemment avec
l’arrivée de la norme IEEE1588, qui permet
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
de réaliser des synchronisations d’horloges
très précises dans les automatismes répartis.
Cela dit, Ethernet a d’autres avantages. Deux
sont plus particulièrement importants. Le
premier, c’est son ouverture à tous les systèmes informatiques placés au-dessus des
équipements d’atelier, y
compris (via Internet)
L’essentiel
ceux qui se trouvent en
dehors du site industriel. Ethernet a beaucoup évolué pour répondre aux
Le deuxième, c’est son
contraintes industrielles
débit, qui atteint
Les avancées se situent à
10 Gbit/s aujourd’hui,
tous les niveaux : compoun chiffre incomparablesants durcis, déterminisme,
ment plus élevé que celui
synchronisation précise
des différentes stations
des bus de terrain actuels.
Comme les applications La sécurité d’accès et les
risques de piratage inquièimposent de transmettre
tent les industriels
des quantités toujours
plus importantes d’infor- Ils attendent aussi un peu
de stabilité et ne veulent
mations (des images
pas perdre les acquis des
issues de capteurs de
bus de terrain
vision sur une chaîne de
25
025_027_DOPE772 Club Automation 9/02/05 14:43 Page 26
Dossier Ethernet
production, des documents techniques pour
aider à la maintenance sur site d’un équipement, etc.), l’augmentation des débits est
évidemment intéressante.
En raccourcissant les temps de transmission,
un débit élevé contribue à améliorer les
caractéristiques temps réel. Mais que faire
d’un débit de 10 gigabit/s? A de tels débits,
la longueur des liaisons ne peut pas excéder
quelques dizaines de centimètres, tout juste
de quoi réaliser une interconnexion de fonds
de panier. Rien à voir avec une application
d’automatismes répartis. Largement répandu, le 100 Mbit/s est-il pour autant une
bonne affaire? M. Decotignie (CSEM) invite
à ne pas se laisser captiver par le miroir aux
alouettes : « Très peu d’équipements d’automatisme
sont capables aujourd’hui de traiter de tels débits. De plus,
le gain apporté par un tel débit peut être très rapidement
annihilé par le temps consacré au traitement des différentes couches logicielles du réseau. Pour exploiter au
mieux les débits, il faut que les interfaces réseau soient
bien étudiées ».
Aller au-delà des solutions
bureautiques
Indépendamment des performances, les produits Ethernet industriels doivent être
capables de répondre aux contraintes particulières des environnements d’automatismes : ambiances difficiles, alimentation
24 V, montage sur rail Din, par exemple. De
très nombreux produits répondent à ces critères. Dans le domaine de la connectique, il
y a sans doute trop de solutions, tous les
grands constructeurs ayant développé leur
propre solution. Bruno Lequeux (Hirschmann)
estime que dans les applications industrielles,
les connecteurs RJ45 (quand bien même ils
sont durcis) devront sans doute s’incliner
face à la simplicité des connecteurs M12 avec
4 pôles, normalisés IEC 61076-2-101.
En matière de topologie, il estime que le
classique câblage “structuré” (en étoile) n’est
pas idéal et que les industriels lui préféreront les topologies en bus ou en anneau.
La redondance est aussi une nécessité dans la
mesure où les applications industrielles ne
peuvent pas tolérer les pannes réseau. Cependant, les solutions de redondance proposées
actuellement ne permettent pas d’obtenir les
niveaux de performances que l’on connaît
pour les automates ou les calculateurs de
process, où une panne éventuelle est “transparente” pour le process. Pour les Ethernet
redondants, une panne entraîne une carence du réseau. La durée d’immobilisation est
assez variable. Avec la technique Spanning
Tree (utilisée dans le tertiaire), la “reconstruction” peut prendre plusieurs dizaines de
secondes. Avec le Rapid Spanning Tree, on
descend en dessous de la seconde. Pour son
La vulnérabilité des réseaux IP…
Les réseaux IP ont été conçus dans un esprit d’ouverture. Ils sont donc vulnérables. Voici quelques points de vulnérabilité, listés ici par CXR.
• Les données transitent en clair dans IP, et l’écoute est donc possible
• Les adresses IP peuvent être usurpées : IP-v4 ne présente pas de mécanisme
d’authentification des adresses
• Le routage IP ne vérifie pas systématiquement les adresses source
• Le protocole ICMP permet de découvrir les adresses IP du réseau (ping, traceroute). Il peut aussi être utilisé pour rompre une communication.
• Différentes méthodes permettent d’obtenir un déni de service d’un
système : ping of Death (paquet ICMP supérieur à 64 K), envoi de trames IP en
masse, saturant un accès.
… et quelques protections
• Sensibilisation des utilisateurs aux règles de sécurité.
• Planification des tests du réseau et des audits de sécurité
• Filtrage des accès (Internet, accès individuels, accès télémaintenance)
• Cloisonnement des réseaux (différents types d’utilisateurs, biens à protéger,
services assurés)
• Cloisonnement physique : interconnexions contrôlées
• Cloisonnement niveau Ethernet par switch (VLAN, filtrage des trames selon
l’adresse MAC, etc.)
• Cloisonnement niveau IP : firewall (filtrage d’adresses source et destination),
translation d’adresses IP et de ports TCP
26
anneau redondant (une topologie qui commence à faire des émules, Siemens notamment), Hirschmann annonce un temps de
“cicatrisation” inférieur à 500 ms. « A l’avenir, ces temps devraient être très fortement diminués »,
estime M. Lequeux. Il n’est pas sûr que cela
suffira pour les applications critiques, où la
moindre défaillance du système de contrôle-commande conduit à une mise en sécurité du process, imposant une longue phase de redémarrage…
Sécurité : méfiez-vous
de vos amis…
La sécurité d’Ethernet a été très largement
abordée tout au long de la journée du Club
Automation. Il faut dire que c’est un sujet
préoccupant, comme l’a rappelé Didier Ana
(CXR Anderson Jacobson). Peu de protocoles
réseaux ont été conçus avec la sécurité comme objectif et contrainte. C’est plus particulièrement le cas d’Ethernet et TCP/IP, conçus
pour être ouverts et qui sont basés sur la
confiance : aucun mécanisme de protection
n’est prévu de façon native. Du coup, les
attaques sont nombreuses : intrusion des
réseaux (même réputés inviolables) et accès
aux informations secrètes, arrêt ou plantage d’équipements, saturations de services,
virus, etc. Ces attaques provoquent des dégâts
aux coûts parfois considérables.
Toutes ces menaces, dont chacun a pu faire
l’expérience, n’épargnent pas les réseaux
Ethernet industriels. Les différents organismes de normalisation en sont conscients
et travaillent sur des solutions. Cloisonnement et filtrage des différents segments en
sont les principes de base.
Malgré tout, M. Walter (CEA) n’est pas très
rassuré. « Bien déployées, les parades proposées permettent sans doute de bloquer des messages dangereux.
Mais quelle garantie peut-on avoir contre les logiciels
présents sur les PC des personnels d’une entreprise. Tout
n’arrive pas par le réseau… ». Certains logiciels
peu sûrs peuvent entrer sur un PC via un
CD ou une clé USB, d‘autres sont développés par le possesseur du PC. Pour M. Ana
(CXR), c’est tout le problème : « Il faut savoir
que 80 % des attaques d’un réseau ne viennent pas de
l’extérieur mais en interne. Des malveillances sont toujours possibles mais la plupart du temps, il s’agit d’actes
involontaires, commis à l’insu des personnes concernées.
Il n’y a qu’une parade : sensibiliser le personnel, le former, auditer ses comportements. Il faut que chacun se
sente concerné par les risques informatiques. Un technicien chargé de la sécurité ne peut pas à lui seul garantir la sécurité d’un réseau ». CXR, dont une partie
de sa flotte de PC est constituée de portables,
est très sensibilisé...
En matière de sécurité, les industriels s’interrogent aussi sur les réseaux sans fil, qui
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
025_027_DOPE772 Club Automation 9/02/05 14:43 Page 27
Dossier Ethernet
donnent également accès à Ethernet. Les
industriels craignent là aussi les intrusions
abusives. “Les techniques de chiffrement de d’authentification disponibles offrent toutes les garanties de sécurité”, estime M. Ana. Pour être totalement
rassurés, certains souhaiteraient limiter la
zone couverte. Là aussi, il y a des solutions, qui consistent à utiliser des antennes
directives et à diminuer la puissance
d’émission. “Cela dit, comme les ondes radio ne
sont pas visibles, la délimitation d’une zone de couverture exige de déployer des moyens de mesure importants”, observe M. Dubois (ABB). Pour Bruno Forgue (Prosoft), le moyen le plus sûr
de se prémunir contre toute attaque est de
faire appel à une solution propriétaire
éprouvée.
Des arguments douteux
Comme toujours quand un nouveau standard cherche à s’imposer, il faut se méfier
des arguments avancés. Ethernet industriel
ne fait pas exception à la règle. Certains mettent en avant son coût peu élevé, rendu possible par l’utilisation de composants fabriqués en très grande série (Ethernet est le
standard de fait dans les applications bureautiques), donc peu coûteux. C’est vrai que le
prix du composant n’est pas élevé mais il
intervient peu dans le coût global. Si une
économie peut être réalisée à ce niveau-là, il
y a des surcoûts ailleurs, pour par exemple
réaliser une connectique durcie ou pour
protéger le réseau contre les attaques extérieures. Partant du principe que le composant peut être cher s’il n’est pas fabriqué en
grande série, certains ont condamné par
avance la solution adoptée par Profinet, avec
ses composants spécifiques intégrés dans
les switchs. « Mais il faut voir que ces switchs sont
destinés à être embarqués à bord des équipements d’automatismes. Par rapport à une solution classique avec switch externe, on fait des économies sur l’alimentation, le
boîtier, la connectique. Tout cela permet sans doute de
compenser le surcoût du composant », souligne
M. Decotignie.
Utiliser les acquis
des bus de terrain
Il est trop tôt pour préjuger de ce que sera l’histoire d’Ethernet industriel ne serait-ce que parce
que l’offre n’est pas stabilisée et que de nombreux
développements sont en cours. Pourtant, certains
s’inquiètent déjà : « La profusion des standards ne risquet-elle pas d’effrayer l’utilisateur final et de tuer le marché »,
s’interroge Eric Dubois (ABB). «On est en train de rejouer
le scénario des bus de terrain. La solution qui va s’imposer ne sera
pas celle qui est la meilleure sur le plan technique mais celle qui est
appuyée par la plus grosse puissance marketing», estime quant
à lui M.Walter (CEA Saclay). M.Decotignie (CSEM)
partage globalement cet avis : « Les industriels iront
préférentiellement vers les fournisseurs capables de leur proposer une
solution globale. Les grands constructeurs ont donc de bonnes chances
de l’emporter. Cela dit, les solutions proposées par ces constructeurs
ne sont pas mauvaises ».
Pour imposer les Internet industriels, les constructeurs automobiles auront-ils le poids qu’ils ont eu
pour permettre l’avènement des bus de terrain?
On pourrait le penser au vu d’une annonce toute récente selon laquelle les grands constructeurs automobiles allemands ont affirmé qu’ils
soutiendraient Profinet. Ce qui ne signifie pas
un déploiement massif et immédiat…
Du côté de PSA, on est plus réservé. « Avant de
nous engager dans Ethernet, nous voulons nous assurer que la
solution proposée résout par avance tous les problèmes que
l’on a connus avec les bus de terrain », souligne
M. Mauguy. Et ceux-ci sont pléthore : mauvais
dimensionnement des câbles et des alimentations 24 Vcc, règles CEM non appliquées,
voire non connues (mise à la masse, blindage,…), mauvais dimensionnement de réseau,
connectique bricolée, rayons de courbure des
câbles non respectés, défauts de mise à la masse, connectivité avec des équipements tiers
non reconnus. Mais le plus grave n’est pas là,
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
Pour en savoir plus…
Vous pouvez vous procurer les actes de la journée sur Ethernet organisée le 7 octobre dernier par le Club Automation. Tous les renseignements sont disponibles sur
www.clubautomation.org.
Une nouveauté importante est à signaler. Il
existe désormais plusieurs formules d’adhésion. Si vous ne pouvez pas vous déplacer aux
journées d’information et de débats, vous pouvez opter pour la formule “PACK INFO”, qui
vous donne droit à une adhésion, 3 abonnements à des revues et les CD Rom édités à
l’issue des 4 journées débats organisés tout au
long de l’année. Ce pack ne coûte que 330 ¤.
Pour adhérer à cette formule, rendez-vous sur
le site.
poursuit M. Mauguy : « En passant des entrées/sorties aux bus de terrain, nous avons régressé en matière de
diagnostic, contrainte majeure en production. Aujourd’hui,
nous arrivons tout juste au niveau que nous avions connu il
y a 10 ans. Nous ne sommes pas pressés de passer à Ethernet si c’est pour attendre à nouveau 10 ans pour récupérer le
bon niveau de diagnostic applicatif ». PSA souhaite
ardemment que les diagnostics soient natifs
dans les outils des fournisseurs, et ne pas avoir
à fouiller toutes les données des capteurs et
des automates pour identifier l’origine d’un
défaut… Le constructeur automobile ne passera à Ethernet que lorsqu’il sera stabilisé
(au niveau des normes) et qu’il existera des
outils conviviaux pour la mise en œuvre et
l’exploitation. « Sur la question du remplacement
des réseaux de terrain par Ethernet, nous sommes réellement en situation de veille. Avant de nous positionner,
nous attendons qu’Ethernet soit bien diffusé dans l’industrie », conclut M. Mauguy.
Jean-François Peyrucat
27
028_031_DOS
9/02/05
14:44
Page 28
Dossier Ethernet
TEMPS RÉEL
L’IEEE 1588, un protocole
pour une synchronisation précise
des équipements
▼
Ethernet s’intéresse de plus en plus aux applications industrielles temps réel. Le remplacement des concentrateurs (hubs)
par des commutateurs (switchs), conjuguée à l’augmentation des débits, a permis de fortement améliorer les choses. Les
applications les plus exigeantes imposent une synchronisation très précise des équipements. Pour cela, un standard (qui va
au-delà des applications Ethernet) semble d’ores et déjà s’imposer : il s’agit de l’IEEE 1588, qui a été retenu par les principaux acteurs d’Ethernet temps réel…
D’
une façon générale, les
réseaux permettent de
transférer et de traiter de
plus en plus de données en
un temps de plus en plus court. Cette tendance s’applique bien entendu à Ethernet,
ce qui lui permettra de s’imposer au cours
des prochaines années comme un des
réseaux majeurs dans l’univers des automatismes. Un des gros progrès concerne
l’aspect “temps réel”. Le “temps réel”, c’est
d’abord la capacité du système de communication à garantir un comportement déterministe, c’est-à-dire la faculté de toujours
transmettre la quantité de données prévue
dans un intervalle de temps défini. Le temps
réel, c’est aussi la capacité du réseau à respecter les contraintes temps réel du système
d’automatismes.
Aujourd’hui, seuls certains bus de terrain spéL’essentiel
cifiques ou d’autres
Certaines applications,
solutions propriétaires
comme par exemple le
parviennent à des
contrôle d’axes, exigent
temps de cycle de
une synchronisation très
précise des équipements
moins d’une milliseconde ou à des varia La norme IEEE 1588 propose une solution de synchrotions de l’ordre d’une
nisation d’horloges
microseconde. Afin
Elle a été adoptée par les
d’étendre
l’usage
plus grands acteurs des
d’Ethernet pour ce type
Ethernet temps réel
d’applications d’auto La précision de la synchromatisme, des protonisation dépend dans une
coles spéciaux ont été
très large mesure du
réseau et de ses consticréés pour apporter à
tuants
Ethernet le déterminis Pour s’en affranchir, une
me requis.
solution existe : l’horloge
Les temps de propagade transfert
tion Ethernet présen La précision de la synchrotent une certaine flucnisation est meilleure que
tuation durant la
1 µs
transmission. Un com-
28
portement déterministe peut être obtenu par
le recours à une horloge synchronisant avec
une haute précision tous les terminaux et
systèmes. Si les actions se basent sur une telle horloge, le temps process peut être dissocié des temps de propagation.
Cette caractéristique s’applique en particulier
aux systèmes complexes amenés à démarrer certaines opérations simultanément. Par
exemple, on peut citer la coordination de
plusieurs robots dans l’accomplissement
d’une tâche, le transport d’objets lourds, ou
une application dont la bonne exécution exige un ajustement très fin des mouvements
des robots.
L’IEEE 1588, un standard
créé en 2002
Même s’il n’a pas été spécifiquement
développé pour Ethernet, le protocole
de temps à haute précision IEEE 1588
se présente comme une solution très
aboutie dans la synchronisation ultra
précise des composantes d’un réseau
Ethernet. Il a été initialement développé
par Agilent Technologies pour l’instrumentation et les contrôles répartis. La technique s’appuie sur le travail de John Eidson qui, en sa qualité de président du
comité de normalisation, a joué un rôle
décisif dans l’approbation du standard
en novembre 2002.
L’IEEE 1588 offre l’avantage inédit de synchroniser en moins d’une microseconde les
horloges locales des capteurs, actionneurs et
autres équipements au moyen du réseau
Ethernet qui transporte déjà les données de
traitement. Les protocoles de synchronisation existants, tels que NTP et SNTP, n’atteignent pas la précision ou vitesse de synchronisation requise. D’autres, comme le
protocole SynUTC, développé par l’univer-
sité technique de Vienne, n’ont pas été encore acceptés sur le marché.
L’IEEE 1588 est aussi appelé PTP (Precision
Time Protocol). Comme d’autres protocoles,
il se base sur la concordance de temps la plus
précise lors de la transmission et de la réception de paquets de synchronisation. A la différence de SNTP, l’horodatage de la transmission n’a pas besoin d’être intégré au
paquet de synchronisation. Elle est transférée dans un paquet suivant. Il est ainsi possible de dissocier le processus de mesure de
la transmission/réception et le processus de
synchronisation lui-même.
Le protocole a été conçu pour de petits
réseaux locaux homogènes ou hétérogènes.
Ses concepteurs se sont particulièrement attachés à limiter les besoins en ressources afin
de rendre le protocole utilisable dans des
équipements terminaux de base et de faibles
coûts. Aucune exigence particulière ne
s’applique à la mémoire ou aux performances de l’unité centrale. Le protocole se
satisfait d’une faible bande passante réseau
et requiert peu d’administration. Du fait de
la prise en charge de maîtres redondants, un
domaine PTP se configure au moyen d’un
algorithme de recherche de la meilleure horloge maître et est tolérant aux pannes. La
synchronisation s’opère en une microseconde ou mieux.
Les principes de fonctionnement
de l’IEEE 1588
La synchronisation de tous les utilisateurs
d’un réseau sur l’horloge la plus précise
de ce dernier constitue le principe de base
de l’IEEE 1588/PTP. Une horloge dotée
d’un seul port réseau est qualifiée d’“horloge standard”. Il y a deux types d’horloges, l’horloge maître et l’horloge esclave. En principe, chaque horloge peut
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
028_031_DOS
9/02/05
14:44
Page 29
Dossier Ethernet
remplir les fonctions de maître et d’esclave.
La précision d’une horloge, plus exactement
des sources de temps, est définie en classes
(stratum). L’horloge atomique, qui correspond au stratum 1, fait partie de la classe la
plus élevée. La sélection de la meilleure horloge du réseau s’accomplit en mode automatique au moyen de l’algorithme de
recherche de la meilleure horloge maître.
La précision de la synchronisation dépend
dans une très large mesure du réseau et de
ses constituants. Pour cette raison, la transition vers des composants moins déterministes, tels que les routeurs et commutateurs,
est rendue possible par le protocole au
moyen d’une horloge de transfert (boundary clock). Un protocole de gestion est disponible pour l’administration et la configuration des horloges du réseau.
Le protocole PTP s’appuie sur la communication IP de type multicast. Il peut être utilisé sur tout système compatible avec le
mode multicast, pas seulement Ethernet. La
communication multicast présente l’avantage d’être simple ; elle ne requiert pas
l’implémentation d’une gestion d’adresses IP
dans les nœuds PTP, ce qui permet de configurer le protocole sur un grand nombre de
nœuds.
A la réception du message de synchronisation et, en vue d’une meilleure précision, à
la réception du message “Follow Up” correspondant, l’horloge esclave calcule la correction (offset) par rapport à l’horloge
maître en tenant compte de l’horodatage de
réception du message de synchronisation.
L’horloge esclave Ts doit être corrigée de la
valeur de ce décalage. Si le chemin de trans-
mission n’introduisait pas de retard, on
aurait un fonctionnement synchrone des
deux horloges.
Mesure du retard. La deuxième phase de la
synchronisation, la mesure du retard, détermine le retard ou temps de latence entre
esclave et maître. L’horloge esclave envoie
dans ce but un paquet “delay request” au
maître et détermine pendant cette opération
Correction de la différence de temps
entre le maître et l’horloge (mesure de décalage)
Maître (M)
Tm = 1050s
Esclave (S)
Tm = 1000s
Retard de la ligne = 1s
TM1 =1051
Ts =1001
Message sync
TS1 =1002
TM1
Décalage = TS1 - TM1- retard
=1002 - 1051 - 0 = - 49
Correction temporelle
de l’horloge esclave : Ts - décalage = Ts - (-49)
Message de suivi
TM2 =1053
Message sync
TM2
Décalage = TS2 - TM2- retard
=1053 - 1053 - 0 = 0
Correction temporelle
de l’horloge esclave : Ts - décalage = Ts - 0
Message de suivi
La synchronisation temporelle
Chaque esclave se synchronise sur l’horloge
maître correspondante en échangeant des
messages de synchronisation avec cette dernière. La synchronisation se décompose en
deux phases. La première consiste à corriger la différence de temps entre le maître et
l’horloge. C’est la mesure du décalage.
Mesure du “décalage horaire”. Durant cette correction de décalage, le maître assure à
des intervalles de temps définis (par défaut,
toutes les 2 secondes) l’émission d’un message de synchronisation (SYNC) vers les horloges esclaves qui lui sont associées. Ce message de synchronisation comporte une
indication sur l’heure exacte d’émission du
message.
En vue d’une synchronisation de haute précision, il existe en plus un mécanisme qui
détermine les instants d’émission et de
réception de messages PTP avec la meilleure précision possible et le plus près possible
de l’étage matériel, idéalement sur le support de transmission. L’horloge maître
mesure l’instant exact d’émission TM1 et
les horloges esclaves les instants exacts de
réception TS1. Le maître envoie dans un
deuxième message de suivi (Follow Up)
l’instant exact d’émission TM1 du message
de synchronisation correspondant vers les
horloges esclaves.
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
Inconnu
Détermination du temps de latence
(retard) entre le maître et l’esclave
Maître (M)
Tm = 1070s
Retard de la ligne = 1s
Esclave (S)
Tm = 1069s
Tm =1081
TM3 =1082
TS3 =1080
Delay Request
TM3
Retard = (TS2 - TM2) - (TM3 - TS3)/2
= 0 + (1082-1080)/2 =1
Delay Response
TM4 =1083
Message sync
TS4 =1083
TM4
Message de suivi
TM5 =1085
Message sync
TM5
Message de suivi
Ts =1082
Inconnu
Décalage = TS4 - TM4- retard
=1083 - 1083 - 1 = - 1
Correction temporelle
de l’horloge esclave : Ts - décalage = Ts - (-1)
Ts =1085
TS5 =1086
Décalage = TS5 - TM5- retard
=1086 - 1085 - 1 = 0
Synchrone !
29
028_031_DOS
9/02/05
14:44
Page 30
Dossier Ethernet
IEEE 1588
PTP (Precision Time Protocol)
Interface
Post
Interface
horloge
Interface
horodatage
Couche logicielle
Couche
protocole
réseau
Couche
MAC
Instants
d’envoi et de
réception
Correction
temps
Unité
d’horodatage
(x) MII
Horloge
temps réel
Matériel
TX
RX
Couche
“physique”
l’instant TS3 exact d’émission du message.
Le maître horodate la réception du paquet
et renvoie les données de temps de réception TM3 à l’esclave sous forme de paquet
“delay response”.
A partir de l’horodatage local de l’instant
d’émission TS3 et de l’horodatage de
réception TM3 livrée par le maître, l’esclave calcule le retard entre l’esclave et le
maître. La mesure du retard s’opère de
façon irrégulière et à des intervalles de
temps supérieurs à la mesure du décalage
(valeur aléatoire entre 4 et 60 secondes
par défaut). Ce faisant, le réseau et, en particulier, les équipements terminaux, ne
subissent pas de surcharge. Un délai symétrique entre le maître et l’esclave est toutefois crucial pour la mesure du retard et
sa précision (même valeur dans les deux
directions). Cette synchronisation élimine les fluctuations temporelles entre éléments IEEE 1588, notamment la pile protocole et le temps de latence entre le maître
et l’esclave.
Comment créer un élément
de synchronisation IEEE 1588
La caractéristique la plus marquante de
l’architecture IEEE 1588/PTP est
qu’elle fait une séparation totale entre
d’une part l’unité de commande temps
réel incorporée dans le matériel, et
d’autre part le protocole (composante
logicielle découplée des conditions
temps réel). Le protocole s’exécute en
mode basse priorité et/ou sur un pro-
L’IEEE 1588 intéresse de nombreux groupes
Plusieurs groupes actifs ont décidé
d’intégrer le protocole IEEE 1588 à
leurs bus de terrain Ethernet. L’ODVA
a choisi IEEE 1588 pour CIPSync,
l’extension temps réel pour
Ethernet/IP-CIP. Siemens cherche à
adapter IEEE 1588 à Profinet V3. Beckhoff et Jetter élaborent des solutions
assurant une synchronisation temporelle à l’aide de ce protocole ou d’une
approche similaire. L’EPSG (Ethernet
Powerlink Standardization Group) a
quant à lui prévu de l’intégrer comme
élément fixe dans sa version 3.
Tous ces acteurs se situent dans l’uni-
30
vers des automatismes. L’industrie de
l’automatisation n’est cependant pas
la seule à manifester de l’intérêt pour
cette norme. Les applications de test
et de mesure, à l’origine de ce protocole (Agilent Technologies), lui accordent aussi de plus en plus d’attention.
Parallèlement à l’environnement militaire, l’IEEE 1588 investit des
domaines comme les télécommunications et la distribution d’énergie électrique (IEC 61850, réseaux et systèmes
de communication dans les postes et
les équipements électriques).
cesseur sans exigences de performance
particulières.
Le matériel est constitué d’une horloge
temps réel de haute précision et d’une unité d’horodatage (TSU). La composante logicielle intègre le protocole IEEE 1588 proprement dit, sa connexion à l’horloge temps
réel et à l’unité d’horodatage matérielle.
La couche logicielle est pratiquement indépendante du système d’exploitation. Pour
ce faire, elle comporte trois sous-couches
présentant des niveaux d’abstraction différents. La couche “protocole” intègre le protocole de temps de haute précision indépendant du système d’exploitation. La
couche “abstraction OS” constitue l’interface entre le PTP et le système d’exploitation. Les fonctions rendues accessibles par
le système d’exploitation (tâches/processus, sémaphores, timers, sockets, etc.) sont
placées sur la couche “OS”.
Couche “protocole”. Cette couche implémente PTP pour la synchronisation des
horloges d’un réseau et peut être utilisée
sur différents éléments de communication
(PC, commutateur, routeur, etc.). C’est ici
que se trouve l’intelligence proprement
dite pour la synchronisation des éléments
de communication. La couche protocole
fait uniquement intervenir des fonctions
conformes à ANSI/ISO C. Le transfert du
protocole peut ainsi s’exécuter facilement
sans affecter les fonctionnalités des diverses
plates-formes.
Couche “Abstraction OS”. Cette couche
englobe des fonctions dépendant du système d’exploitation et peuvent exiger une
adaptation. L’interface horodatage fournit
le protocole de temps de haute précision
avec les horodates des messages de synchronisation et “delay request”. Suivant le
niveau de développement (précision exigée), l’horodatage est assuré par une unité matérielle (TSU) ou logicielle. Les
pilotes NIC (RX- ISR, envois) dépendant
du système d’exploitation constituent le
meilleur emplacement pour la génération
des horodatages logiciels, le plus près possible du support de transport.
L’interface horloge permet de lire et de
modifier l’horloge locale. Ces fonctions
doivent être adaptées à la plate-forme. Les
réalisations dépourvues d’horloge temps
réel dédiée utilisent l’horloge du système
d’exploitation ou des solutions optimisées, telles que nanokernel dans des versions UNIX. Outre le réglage de l’horloge locale, cette interface contient les
algorithmes qui surveillent la qualité de la
synchronisation (précision, stabilité, comportement transitoire, etc.).
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
028_031_DOS
9/02/05
14:44
Page 31
Dossier Ethernet
Horloge de transfert
Horloge maître
Horloges esclave
“Switch 1588”
Horloge esclave
Horloge maître
L’utilisation d’horloges de transfert IEEE 1588 dans les commutateurs améliore la précision. Dans ce cas, les connexions sont seulement de type point à point et il n’y a pratiquement pas de variation de retard
entre l’horloge maître et l’horloge esclave. Le retard/la variation de mise en queue interne des commutateurs n’a plus d’effet.
L’interface port est utilisée pour envoyer ou
recevoir des messages PTP. Les télégrammes
IEEE 1588 ont recours à des paquets multicast UDP/IP, ce qui permet de les envoyer
et de les recevoir par l’interface socket de la
pile de protocole IP. L’aspect temporel est
négligeable puisque les horodates sont directement générées sur le support de transport.
Cette plate-forme logicielle modulaire a permis d’établir des versions Linux, Windows
et VxWorks de ce protocole. Les implémentations Windows et Linux utilisent un
horodatage logiciel. Signalons à cet égard
que même une intégration purement logicielle fournit une précision de l’ordre de
100 µs et que cette dernière est susceptible
d’être inférieure à 10 µs.
Des horloges de transfert dans les
commutateurs, c’est plus sûr…
La précision du protocole dépend aussi de la
variation de latence de la topologie du
réseau. Les connexions point à point ont la
précision la plus élevée, avec des hubs qui
ne génèrent qu’une très faible instabilité
réseau. Dans le cas d’une charge de réseau
faible voire nulle, les commutateurs de
niveau 2 se caractérisent par un temps de
traitement très faible, en général entre 2 et
10 µs ajoutés au temps de réception du
paquet. Les commutateurs les plus récents
présentent également une faible variation
de latence. Celle du commutateur Hirschmann
RS2-FX/FX s’établit à 0,4 µs environ.
Mais les commutateurs traitent les données
en queue (ou file d’attente) et en mode “Store and Forward” ; de ce fait, lorsqu’un paquet
de longueur maximale est mis en file d’attente, cela occasionne un retard de 122 µs. Or à
forte charge, plusieurs paquets peuvent être
placés dans la file d’attente. La symétrie de
la latence, du maître à l’esclave et vice versa,
est un autre critère de précision du protocole, et elle ne peut en général être obtenue à
des charges de réseau élevées.
La priorisation des paquets, par exemple
IEEE 802.2D/p, n’apporte pas vraiment de
solution parce qu’un paquet au moins très
long pourrait se trouver devant un paquet
de synchronisation et accroître l’instabilité
de 122 µs. Les commutateurs disponibles
actuellement fonctionnent de telle manière
qu’après un traitement de la priorité, il y a
une autre file d’attente qui peut être remplie de deux à huit paquets en moyenne et
pas seulement un comme prévu. A de fortes
charges, cette condition fait passer l’instabilité de 360 µs à 1 ms.
L’utilisation d’horloges de transfert IEEE
1588 dans les commutateurs remédie à ces
problèmes. Dans ce cas, les connexions sont
seulement de type point à point et il n’y a
pratiquement pas de variation de retard entre
l’horloge maître et l’horloge esclave. Le
retard/la variation de mise en queue interne des commutateurs n’a plus d’effet.
Des tests probants
Au départ nous avons connecté directement
dans notre configuration test deux horloges
standard et utilisé des modules IEEE 1588
dans nos commutateurs Ethernet modulaires
(série MICE). Pour déterminer les temps de
réponse du protocole, nous avons créé une
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
forte charge réseau avec un générateur de
paquets Ethernet.
Afin d’examiner la différence entre l’horloge locale et l’horloge de référence dans des
conditions proches d’une application réelle,
nous avons équipé les deux unités d’un
signal de sortie PPS (impulsions par seconde) et nous les avons raccordées à un oscilloscope. Il nous a ainsi été possible de saisir
d’une façon très précise l’écart des deux
signaux et de reproduire la distribution de
l’écart de fréquence. La précision de synchronisation obtenue se situe dans la plage
±100 ns (variation max.). La mesure s’est
étalée sur 84 heures.
La distribution de fréquence du décalage
entre l’horloge maître et l’horloge esclave
se traduit par un écart type de 23,95 ns et
une valeur moyenne de -4,248 ns.
Les valeurs de dérive des oscillateurs limitent
la précision de synchronisation avec les prototypes disponibles. Une fréquence de quartz
50 MHz (±50 ppm) produit une imprécision de 20 ns. Le système peut ainsi ajuster
la dérive dans une plage de ±20 ns par seconde. Si l’on étudie à présent la dérive relative
entre l’horloge locale et l’horloge maître
durant deux autres télégrammes de synchronisation successifs, on constate que la
stabilité à court terme des oscillateurs détermine dans une large mesure la précision de
la synchronisation en régime stabilisé.
Dirk S. Mohl, responsable de développement
des produits Ethernet
Bruno Lequeux, ingénieur d’applications
Hirschmann Electronics
31
032_034_DOS
9/02/05
14:45
Page 32
Dossier Ethernet
DÉJÀ OPÉRATIONNEL POUR LES ARCHITECTURES DISTRIBUÉES
Profinet temps réel arrive
▼
Dans un premier temps, Profinet a été présenté comme étant un outil pour la réalisation d’architectures d’automatismes
réparties à l’aide d’un concept “objet”. Il s’est étendu par la suite pour permettre de réaliser des communications temps réel
et faciliter l’intégration de tous les bus de terrain existants. Toutes ces fonctionnalités ne sont pas à utiliser dans chaque
application : il est possible de composer en fonction des besoins.
L’
arrivée d’Ethernet dans l’univers des automatismes ne date
pas d’hier. Le consortium Profibus International, qui “gère” les
évolutions du bus de terrain Profibus et sa
bonne mise en œuvre sur le terrain, s’est
dès la fin de 1999 posé la question des futurs
rapports entre Profibus et Ethernet. Ainsi est
né Profinet.
En pratique, Profinet se décline en deux
grands niveaux :
- la réalisation d’automatismes répartis, développés à l’aide d’une technologie objet. Malgré tout, les architectures actuelles, dites “à
entrées/sorties déportées”, peuvent être
implémentées avec Profinet.
- la prise en compte des contraintes temps
réel des automatismes, en particulier pour
les commandes multi-axes (plusieurs solutions sont proposées, selon les exigences du
temps réel)
Tout a été pensé pour préserver l’investissement des industriels. Profibus International est
en effet conscient qu’une solution basée sur
Ethernet ne sera couronnée de succès que si
elle est compatible avec les principaux bus de
terrain actuels. Profinet propose une méthode simple pour intégrer les bus existants,
Profibus ou d’autres, via des proxies. Cette
caractéristique fait de Profinet la solution
Ethernet la plus ouverte du marché et la
mieux préparée pour
l’avenir. Les premiers
L’essentiel
produits proxy Device Profinet est la version
Net sont déjà dispod’Ethernet conçue par le
nibles. Par ailleurs, un
consortium Profibus
groupe de travail
Dans un premier temps,
œuvre actuellement à
Profinet s’est intéressé aux
l’intégration d’Interapplications d’automabus S dans Profinet.
tismes répartis
Cette capacité de Profi Il s’intéresse désormais
aux applications temps réel
net d’“englober plutôt
critique
que de remplacer”
La version temps réel est
pourrait être un facteur
notamment mise en œuvre
déterminant pour lui
par des switchs spécialisés
permettre de s’imposer
intégrés à l’intérieur des
dans la lutte que se
équipements connectés
livrent les différents
32
Ethernet industriels.
Deux secteurs majeurs du marché sont envisagés pour Profinet : la périphérie décentralisée et l’automatisme réparti.
La périphérie décentralisée est la vision traditionnelle de l’automatisme. C’est une
approche comparable à celle de Profibus DP
mais avec les avantages de l’Ethernet Industriel. L’automatisme réparti est une vision
plus moderne qui va se développer fortement, car de plus en plus de chaînes automatisées sont constituées de blocs séparés,
qui s’assemblent pour former une unité de
production.
Trois modes de transmission
Profinet, c’est aussi (et surtout) des possibilités de communication très étendues. Il offre
trois modes de communication qui permettent de couvrir l’ensemble des besoins
du contrôle-commande global, du niveau
gestion au pilotage d’atelier.
- Profinet TCP/IP ou UDP/IP autorise un
temps de cycle de l’ordre de 100 ms. Il est
notamment utilisé pour les communications
verticales.
- RT (Real Time) réduit le temps de cycle à
5-10 ms
- IRT (Isochronous Real Time) abaisse le
temps de cycle à 1 ms, avec une gigue
(incertitude sur les instants de déclenchement) de 1 µs. Il est utilisé pour les applications à contraintes temps réel exigeantes.
Ces trois modes utilisent des trames Ethernet
standard pour transmettre l’information. La
bande passante est partagée en deux canaux
qui peuvent être utilisés indépendamment
ou simultanément : le premier gère les données standard, à la manière d’un réseau
bureautique, tandis que le second gère les
données temps réel.
TCP/IP pour les données standards. Avec
le canal de transmission des données standard, les données véhiculées sur Profinet
Pour le temps réel “standard”
Profinet se décline en plusieurs variantes, selon le type d’informations à transmettre et les exigences de l’application.
Pour les applications temps réel pas trop exigeantes (temps de cycle de 5-10 ms), Profinet utilise un Fast Ethernet commuté (basé sur des
switchs du commerce) et il est possible de mixer des données standard et des données temps réel. Pour le transfert des données, la trame
Ethernet est divisée en deux : un canal pour les données standard (transmises via les couches TCP/IP) et un canal pour les données “temps
réel” (transmises via un canal indépendant).
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
032_034_DOS
9/02/05
14:45
Page 33
Dossier Ethernet
sont accessibles aux systèmes externes, aux
couches supérieures de l’entreprise, voire
sur Internet. La pile TCP/IP intègre les fonctions de technologie de l’information (IT) tel
que http et SNMP. Elle permet aussi la communication acyclique entre automates,
superviseurs ou autres équipements. Elle est
utilisée pour le paramétrage des équipements, la configuration, le diagnostic et la
gestion du réseau.
RT, le temps réel standard. Même en Fast
Ethernet (100 Mbps) commuté, l’utilisation
de la pile TCP/IP n’est pas assez efficace pour
atteindre les temps de cycle typiques en
automatisme. Pour ces besoins, un canal
“temps réel” a été prévu. Il s’agit du mode
de transmission RT, qui court-circuite la pile
TCP/IP ou UDP/IP et réduit ainsi singulièrement les temps de traitement. Il est particulièrement adapté au transfert de données
vers la périphérie décentralisée. Avec un
temps de cycle de 5-10 ms, RT a un niveau
de performance comparable à celui des bus
de terrain actuels. Il autorise le transfert de
données cycliques et acycliques avec un débit
élevé et une gestion d’événements. Les paramètres de qualité de service (QoS) sont utilisés pour donner la priorité aux trames RT.
IRT, le temps réel isochrone. Pour certaines
applications critiques, comme la commande d’axe, où le temps de cycle ne doit pas
excéder 1 ms, avec une gigue de 1 µs, il faut
un niveau de communication supplémentaire. C’est pourquoi Profinet introduit un
tout nouveau concept appelé IRT. IRT (Isochronous Real Time) est un canal de communication optionnel, situé à côté du canal
Ethernet standard. Le terme isochrone signifie que chaque trame est envoyée avec un
intervalle de temps très précis. Cela nécessite une synchronisation très précise dite isochrone des flux de données entre les différents équipements.
Le canal IRT partage une trame Ethernet avec
le canal standard. Un système de découpage temporel (time-slice) répartit la bande
passante en créneaux fixes, chacun étant
dédié à la communication avec un équipement. On obtient ainsi des performances
élevées. Par exemple, un réseau Profinet IRT
avec un temps de cycle de 1 ms peut comporter 150 équipements, avec un partage de
la bande passante de 50 %.
La technologie time slice n’est pas supportée par les switchs Ethernet actuels, et elle
nécessite l’utilisation de composants spécifiques. Pour répondre aux différents besoins
actuels, le consortium Profibus a fait développer deux ASIC switchs Ethernet IRT :
l’Ertec 400 et l’Ertec 200.
L’Ertec 400 comporte 4 ports. Il est prévu
Pour le temps réel critique
Performances de Profinet IRT
Temps de cycle
Gigue
Nombre de nœuds
Débit des données TCP/IP
1 ms
< 1 µs
70
9 Mo/s
150
6 Mo/s
50 µs
< 1 µs
35
6 Mo/s
Profinet IRT est conçu pour travailler avec des temps de cycle inférieurs à 1 ms, donc beaucoup plus courts que ceux de RT (5-10 ms). Au niveau réalisation,
IRT est mis en œuvre avec des switchs spéciaux, réalisés sous forme de composants Asic et prévus pour être intégrés à l’intérieur des équipements. Ces switchs
peuvent également être utilisés pour réaliser des communications de type RT.
Comme pour RT, la trame de ProfinetIRT est divisée en deux: un canal véhicule les données temps réel, l’autre les données standard. Comme le montre le tableau,
la quantité d’informations transmises par TCP/IP dépend de la largeur de la trame allouée aux informations temps réel (et du nombre d’équipements connectés).
pour équiper les contrôleurs. Il n’intègre pas
la couche physique Ethernet. Il est connecté au contrôleur par l’intermédiaire d’un bus
PCI. Son coût est d’environ 38 € en quantité. L’Ertec 200 comporte 2 ports. Il est prévu pour les équipements de terrain. Il intègre
la couche physique d’Ethernet. Son coût
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
d’environ 19 € permet son intégration dans
une commande d’axe.
Ces Asic utilisent la technologie de partage
temporel (time-slice) propre à l’IRT, assurant avec une extrême précision l’instant de
transmission des messages. Les messages
reçus et destinés à un autre équipement sont
Intégration dans les réseaux de haut niveau
Profinet étant basé sur Ethernet
TCP/IP, est complètement accessible
aux technologies de l’information. Les
services et les outils basés sur le web
et sur Internet, sont le standard dans
cet environnement. Par exemple, Profinet peut utiliser DHCP (Dynamic
Host Configuration Protocol) pour
assigner dynamiquement une adresse
à chacune des stations du réseau.
SNMP (Simple Network Management
Protocol) est utilisé pour gérer le
réseau : chaque équipement est
configuré à distance, puis des infor-
mations de statuts et de diagnostic
peuvent être transmises par ce biais.
L’intégration du web dans Profinet
permet l’utilisation des navigateurs
du marché (Internet Explorer…) pour
le démarrage, le diagnostic et la
maintenance. La présentation et le
contenu des pages web sont standardisés pour assurer la cohésion et
l’ergonomie de l’ensemble. Une
approche commune de la sécurité est
aussi spécifiée. Les équipements Profinet peuvent intégrer un serveur web
accessible de façon transparente.
33
032_034_DOS
9/02/05
14:45
Page 34
Dossier Ethernet
Une accélération du calendrier
L’introduction voilà un peu plus de
deux ans du concept CBA (Component Based Automation) marquait les
débuts sur le terrain du concept Profinet (conception d’architectures à
automatismes répartis).
En 2004, le réseau a pris un nouvel
essor avec l’annonce des modules
Profinet I/O (entrées/sorties déportées et périphérie décentralisée). Profinet I/O peut être mis en œuvre avec
les technologies Ethernet TCP/IP classiques mais aussi, et surtout, dans des
applications temps réel “standard”
(temps de cycle de 5-10 ms). Ces dernières sont réalisées à l’aide des
switchs Ethernet standards et permettent d’atteindre les performances des
bus de terrain actuels (c’est la version
RT de Profinet).
simplement retransmis. Les Ertec supportent
les fonctions de switch des trames Ethernet
classiques. Ils permettent donc d’éliminer les
switches externes et de créer des structures
complexes très simplement.
Avec la baisse des coûts, les Ertec devraient
rapidement être intégrés dans les autres équipements de terrain.
Profinet, un impact sur Profibus ?
Malgré ses performances supérieures en
termes de communication temps réel, il est
très improbable que Profinet remplace Profibus avant longtemps, sinon jamais. Les
études de marché suggèrent que l’inversion
de tendance ne sera probablement pas atteinte avant 2010.
Les raisons sont pratiques. Les entreprises qui
L’industrie automobile
allemande choisit
Profinet
Les aspects de la sécurité d’accès ont
également été traités.
Profinet prend désormais en compte
les aspects temps réel “dur”, avec
l’annonce des switchs IRT (temps réel
isochrone) qui viennent s’intégrer
directement dans les équipements.
Deux composants spécialisés ont été
annoncés, l’Ertec 400 (4 ports) et de
l’Ertec 200 (2 ports), fabriqués par Siemens et Nec Electronics. Qui peut le
plus peut le moins : ces switchs IRT
peuvent mettre en œuvre des applications temps réel RT.
A la fin de l’année, un Profinet dédié
aux applications de sécurité machine
sera annoncé.
Une version dédiée aux applications
de process est également à l’étude.
ont investi dans Profibus, au niveau des équipements, de la formation et de la culture, ne
vont pas les abandonner du jour au lendemain, même si les attraits d’Ethernet sont
grands. Profibus va bientôt fêter ses 15 ans,
pendant lesquels il a pas mal évolué et il va
continuer à répondre aux besoins du marché pendant plusieurs années, notamment
dans les domaines spécialisés que sont la sécurité des machines, ou encore l’automatisme
de process. De plus, les coûts induits par Profinet vont mettre du temps avant de baisser au
niveau de ceux de Profibus.
L’avenir de Profibus est donc assuré.
Cependant, la migration progressive vers
l’automatisme basé sur Ethernet est inévitable, et il est vital que les systèmes et la technologie Profibus soient intégrés facilement
dans la solution Profinet. L’un des
premiers objectifs des groupes de
travail Profinet était d’assurer cette intégration de manière élégante et économique.
Bruno Bouard*
et Frédéric Bahaud**
Audi, BMW, Daimler Chrysler et Volskwagen
regroupés au sein du consortium AIDA (Automation Initiative of German Domestic Automobile) ont fait leur choix en matière de réseau
Ethernet industriel : c’est Profinet, développé
par l’association Profibus (PNO) et qui bénéficie
plus particulièrement du soutien de Siemens.
34
* Bruno Bouard (Siemens) est secrétaire de France Profibus
** Frédéric Bahaud (Agilicom) est responsable du centre
de compétences Profibus et Profinet.
Cet article est issu de “Understanding Profinet” de Geoff
Hodgkinson, de GGH Marketing Communication, que nous
avons publié dans son intégralité dans notre numéro de
septembre 2004.
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
035_038_DOS
9/02/05
14:46
Page 35
Dossier Ethernet
TEMPS RÉEL
Ethernet Powerlink, un standard
déjà bien établi
▼
Ethernet Powerlink (EPL) est aujourd’hui le réseau Ethernet temps réel le plus répandu dans le monde. Un de ses atouts
est de pouvoir utiliser des produits Ethernet tout à fait standards. Autre point fort, il intègre la couche application de
CANopen, un bus de terrain qui connaît un succès grandissant dans les applications d’automatismes. Une version conçue
pour les applications de sécurité est en voie d’achèvement.
A
fin de faciliter le développement, la maintenance et la gestion des stocks, les acteurs de
l’automatisation industrielle
réclament l’harmonisation des technologies
réseau à tous les niveaux de la communication. Avec la révolution d’Internet, les standards Ethernet et les protocoles IP, largement
répandus dans le monde de l’informatique,
sont devenus très avantageux en terme de
coûts et de disponibilité. A cela s’ajoute le
développement de technologies pour
répondre aux besoins du temps réel. Grâce
à ces atouts, Ethernet est devenu attractif pour
la mise en réseau de machines et d’installations industrielles.
Pouvoir utiliser tous les produits
Ethernet actuels
Ethernet Powerlink est la plus répandue des
technologies Ethernet temps réel (depuis
2001, plus de 40000 nœuds ont été installés). Il a été développé parce qu’Ethernet
standard ne peut garantir aucun temps de
transmission et donc aucune communication en temps réel. Ni l’utilisation d’équipements ou fonctions supplémentaires tels
que les switchs, ni l’établissement de priorités de messages ne constituent une solution bien adaptée. Tout d’abord, ce type
d’approche ne permet pas de réaliser des
topologies de réseaux flexibles. Ensuite, la
caractéristique temps réel est toujours
influencée par la charge totale du réseau.
Enfin, le travail de configuration et de paramétrage des réseaux est loin d’être négligeable.
Pour créer des conditions temps réel sur
Ethernet, certains groupes industriels ont
imaginé des nouveaux procédés, parmi lesquels on peut citer le décodage des flots de
bits à l’aide de composants spéciaux ou le
raccourcissement des trames Ethernet pour
réduire les temps de transfert. Tous ces mécanismes présentent l’inconvénient de ne pas
être conformes aux normes applicables.
Ethernet Powerlink a au contraire été développé avec le souci de la conformité aux
normes.
Parmi les caractéristiques d’Ethernet Powerlink, trois sont plus particulièrement importantes :
- Transmission garantie des données critiques dans le temps, au cours de cycles isochrones très courts et dans un temps configurable
- Synchronisation dans le temps de tous les
nœuds du réseau avec une très grande précision (moins d’une microseconde)
- Transmission des données moins critiques
dans la tranche asynchrone réservée à cet
effet
A l’heure actuelle, Ethernet Powerlink permet
d’atteindre des temps de cycle inférieurs à
200 µs, ainsi qu’une précision (jitter) de
moins de 1 µs.
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
Du fait de sa conformité avec l’Ethernet standard, Ethernet Powerlink permet d’utiliser
des cartes Ethernet, de composants d’infrastructure, ou encore de systèmes de mesure et de contrôle standard. Tous les protocoles basés sur IP des
L’essentiel
couches supérieures
(TCP, UDP et au-delà) Créé par B&R Automation,
Ethernet Powerlink est
peuvent être utilisés sans
aujourd’hui un standard
nécessiter d’adaptations
bien établi
particulières. Dans le
Il est conforme au standard
détail, Ethernet PowerEthernet IEEE 802.3, avec
link est conforme aux
une extension basée sur
standards suivants :
une logique mixte de scrutation et d’allocation de
- IEEE 802.3 Fast Ethernet
tranches de temps
- Protocoles basés sur IP
Le temps de cycle est de
(UDP, TCP, etc.)
200 µs, avec une précision
- Profils d’équipements
meilleure que 1 µs
standards : CANopen EN
Une version sécurité est en
50325-4 pour l’automapréparation
tisme industriel
35
035_038_DOS
9/02/05
14:46
Page 36
Dossier Ethernet
- IEEE 1588 : synchronisation de domaines
temps réel (versions futures)
Un distinguo entre “temps réel”
et “non temps réel”
Dans le réseau, Ethernet Powerlink établit
une différence entre domaines “temps réel”
et domaines “non temps réel”. Cette séparation correspond à bon nombre de
concepts de machines. Elle permet aussi de
se conformer aux exigences de sécurité
visant à empêcher de possibles attaques de
pirates informatiques au niveau de la machine, ainsi que des dommages résultant d’une
communication de données défaillante à des
niveaux de réseau supérieurs. Les exigences
de temps réel “dur” sont satisfaites au sein
du domaine “temps réel”. Les échanges de
données moins critiques dans le temps se
font de manière transparente au moyen de
trames IP standard et se répartissent entre
les domaines “temps réel” et “non temps
réel”. Dans un contexte de transparence totale des données, la séparation nette entre
réseaux de machines de production et
réseaux d’entreprise permet d’écarter
d’emblée tout risque éventuel pour la sécurité des données.
Le temps réel est traité au niveau
de la couche “Liaison de données”
Ethernet Powerlink est basé sur le modèle
ISO/OSI et supporte les liaisons de type
client-serveur et producteur-consommateur
pour la communication. Les couches IEEE
802.3 standard (Ethernet, par conséquent)
constituent la base de ce protocole. Actuellement, la couche physique est 100Base-X.
A l’avenir, le protocole pourra aussi reposer
sur des variantes d’Ethernet plus rapides
comme l’Ethernet Gigabit. Pour réduire le
plus possible les temps
de retard et le jitter de
trame, les spécifications
techniques
recommandent d’utiliser des hubs répéteurs à la place des
hubs de commutation.
S’agissant du câblage
pour les réseaux industriels, Ethernet Powerlink renvoie au document de l’Iaona
“Industrial Ethernet
Planning and Installation Guide”. Pour une
mise en œuvre en
milieu industriel, les
spécifications préconisent les connecteurs
RJ45 et M12.
Couche de liaison de
données. Le comportement déterministe
est obtenu en interrogeant cycliquement tous les nœuds connectés au réseau. Le cycle se compose d’une
phase isochrone et d’une phase asynchrone. Au cours de la phase isochrone sont
transmises les données critiques dans le
temps, tandis que la phase asynchrone est
réservée aux données non critiques.
Dans le domaine temps réel, l’exécution
du cycle est contrôlée par le nœud gestionnaire du réseau (Managing Node).
C’est le nœud gestionnaire du réseau qui
permet l’accès au médium en émettant des
messages spécifiques. Ainsi, un seul et
unique nœud accède au réseau et tout
risque de collision est écarté. La logique
d’accès dite CSMA/CD, à l’origine du com-
L’application “temps réel” est protégée
contre les virus
L’utilisation d’Ethernet et des protocoles associés dans les machines
industrielles tient principalement à ce
que les données sont accessibles de
manière transparente depuis des
applications standards (bases de données ou systèmes ERP, par exemple).
L’accès aux données via Internet
ouvre de nouvelles possibilités, tant
sur le plan de la maintenance que sur
celui des services, mais peut aussi
poser des problèmes de sécurité.
Ethernet Powerlink permet d’assurer
36
d’emblée que le réseau de la machine
est bien séparé du réseau ouvert et
que les accès sont contrôlés. Même si
les personnes autorisées doivent pouvoir accéder de l’extérieur au réseau
de la machine, la caractéristique
temps réel de ce réseau ne doit en
aucun cas être influencée par des
événements externes. De ce point de
vue, Ethernet Powerlink, avec la séparation des domaines “temps réel” et
“non temps réel”, offre une sécurité
maximale.
portement non déterministe d’Ethernet,
ne rentre donc pas en ligne de compte lors
du fonctionnement normal d’Ethernet
Powerlink.
L’adressage MAC utilisé est conforme à IEEE
802.3. Chaque appareil a une adresse MAC
unique. De plus, dans le domaine temps
réel, un numéro de nœud Ethernet Powerlink, sélectionné à l’aide d’un commutateur
de nœud, est assigné à chaque participant
du réseau.
Au besoin, il est également possible d’utiliser l’adressage IP standard et d’accéder ainsi à des appareils de n’importe où dans le
monde via Internet. Dans le domaine temps
réel, les adresses IP attribuées aux différents
appareils sont d’abord locales et constituées
à partir des numéros de nœuds. Le passage
à des adresses routables pour Internet se fait
par l’intermédiaire du protocole Network
Address Translation (NAT), de la même
manière que pour une connexion à Internet via un fournisseur d’accès.
Une couche applicative compatible
CANopen. Les profils d’équipement et de
communication de la famille CANopen
(notamment les DS301 et DS302), parfaitement connus et largement diffusés, peuvent aussi être utilisés avec Ethernet Powerlink. Les utilisateurs et les fournisseurs
peuvent migrer facilement du bus CAN à
un environnement Ethernet et augmenter
ainsi la bande passante d’un facteur 100. Là
où c’est nécessaire, il est aussi possible de
réaliser des combinaisons de réseaux CAN et
Ethernet de façon optimale.
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
035_038_DOS
9/02/05
14:46
Page 37
Dossier Ethernet
Le nœud gestionnaire du réseau alloue à chaque nœud un intervalle de temps fixe
pour la transmission de données critiques dans le temps. Tous les autres nœuds ont
alors la possibilité de lire ces données (publish/subscribe).
Pour permettre une meilleure utilisation de la bande passante, Ethernet Powerlink permet
aussi que plusieurs nœuds se partagent le même intervalle de temps (multiplexage).
Plusieurs modes de fonctionnement
Un appareil apte à fonctionner avec Ethernet Powerlink peut avoir les modes de fonctionnement suivants :
Mode Ethernet de base. Tout appareil Ethernet Powerlink peut fonctionner directement
sur un réseau Ethernet existant conformément au standard Ethernet de base, dès lors
qu’aucune communication en temps réel
n’est requise. C’est le mode par défaut après
la mise sous tension.
Mode “pré-opérationnel”. Au démarrage
du système ou après intégration de l’appareil
à un réseau existant, ce mode permet le
chargement de données d’initialisation et de
configuration via la tranche asynchrone.
Mode Ethernet Powerlink. Une fois la phase d’initialisation terminée, l’appareil passe
au fonctionnement temps réel. Le nœud gestionnaire du réseau contrôle le séquencement des différentes phases de communication. La durée du cycle dépend de la
quantité de données isochrones et asynchrones, ainsi que du nombre de nœuds.
Le cycle de base se compose des phases suivantes :
- Phase de démarrage : tous les nœuds se synchronisent avec le nœud gestionnaire du
réseau
- Phase isochrone : le nœud gestionnaire du
réseau alloue à chaque nœud un intervalle
de temps fixe pour la transmission de données critiques dans le temps. Tous les autres
nœuds ont alors la possibilité de lire ces données (publish/subscribe).
- Phase asynchrone : le nœud gestionnaire du
réseau octroie l’accès au réseau à un nœud
donné afin de permettre la transmission de
données non critiques (données de paramétrage et de diagnostic, par exemple). Les
protocoles régissant la communication au
cours de cette phase peuvent être des protocoles IP standards.
- Phase d’inactivité : la qualité du comportement
temps réel est fonction de la précision temporelle du cycle de base. La longueur des
différentes phases peut varier tant que le
temps total reste dans les limites du cycle de
base. Les limites de temps sont surveillées
par le nœud gestionnaire du réseau.
La durée de la phase isochrone est configurable, de même que celle de la phase asynchrone.
Utilisation optimisée de la bande passante.
Il est possible pour chaque nœud de transférer des données à chaque cycle de base. Pour
permettre une meilleure utilisation de la bande passante, Ethernet Powerlink permet aussi
que plusieurs nœuds se partagent le même
intervalle de temps (multiplexage). Dans la
phase isochrone, il existe donc deux types
d’intervalles de temps : ceux assignés en permanence à un seul nœud, et ceux destinés à
plusieurs nœuds émettant à tour de rôle.
De cette manière, des données moins importantes, mais toujours critiques dans le temps,
peuvent être échangées au cours de cycles
plus longs que le cycle de base. L’assignation des intervalles de temps est réalisée par
le nœud gestionnaire du réseau.
Un adressage IP simple
à mettre en œuvre
Dans les réseaux bureautiques, les adresses IP
sont généralement attribuées par un serveur
DHCP. Après établissement de la liaison au
réseau, chaque appareil se voit alors attribuer une nouvelle adresse à partir d’un pool
d’adresses IP disponibles. Cette méthode
d’adressage ne convient pas pour les applications d’automatisation industrielle car lors-
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com
qu’il s’agit d’attribuer des adresses IP au
niveau d’une machine, tout appareil de remplacement doit avoir la même adresse IP que
l’appareil d’origine. Le protocole DHCP est
donc inadapté.
Avec Ethernet Powerlink, l’adresse IP est liée
à l’adresse de nœud sélectionnée au moyen
du commutateur d’adresses. En cas d’échange d’appareil, l’adresse IP initialement choisie est conservée et aucun autre réglage
manuel n’est à effectuer.
Le nombre d’adresses IP disponibles dans le
monde étant désormais limité, la gestion des
adresses IP est souvent assurée par le département informatique. De plus, plusieurs
adresses IP au sein d’une machine doivent
pouvoir être accédées ultérieurement depuis
des réseaux de niveau supérieur. En cas d’utilisation d’Ethernet en milieu industriel, la
gestion des adresses IP est donc plus complexe et la quantité de travail à fournir par
le département informatique plus importante que prévue.
Avec Ethernet Powerlink, les adresses IP sont
assignées localement au niveau de la machine et conformément aux normes internationales, que la machine soit en phase de
fabrication, de test, ou utilisée sur un site
industriel. De plus, dans la machine ou l’installation, ce sont toujours les mêmes
adresses IP locales qui sont utilisées. Pour
permettre l’intégration à un réseau externe,
ces adresses locales sont converties en
adresses globales à l’aide du protocole Network Address Translation (NAT). Ce procédé est largement utilisé dans le cadre d’Internet (connexion à un fournisseur d’accès, par
exemple). Ethernet Powerlink instaure une
séparation nette entre le domaine du fabricant et le domaine de l’utilisateur, tout en
éliminant le fastidieux travail de reconfiguration des appareils après la livraison.
Des topologies flexibles
L’utilisation d’Ethernet pour des réseaux industriels ne se justifie que si l’on retrouve ces avantages au niveau le plus bas de la communication. La topologie en étoile adoptée
habituellement pour Ethernet ne convient pas
pour les réseaux de machines industrielles.
Les appareils supportant Ethernet Powerlink
sont typiquement dotés de plusieurs ports
Ethernet, ce qui permet de réaliser toutes
sortes de topologies (bus, arbre, étoile, etc.),
ainsi que des structures mixtes. A l’intérieur
de l’appareil, un hub répéteur assure le bon
acheminement des données. De telles caractéristiques matérielles confèrent au réseau
une grande flexibilité, tout en minimisant
les besoins en hubs répéteurs, hubs de commutation ou autres équipements.
37
035_038_DOS
9/02/05
14:46
Page 38
Dossier Ethernet
Avec Ethernet Powerlink, les structures physiques et logiques ne sont pas liées. Un appareil peut être connecté à n’importe quel port
sur le réseau sans qu’il soit nécessaire de le
reconfigurer. Ainsi, la réalisation de concepts
de machines modulaires est plus aisée et tout
risque de câblage erroné est écarté.
de travail Ethernet Powerlink Safety. Les
entreprises Bernecker+Rainer (B&R), Eckelmann,
Innotec, Lenze, KW-Software et Parker Hannifin
constituent le cœur de ce groupe. D’autres
sociétés y sont également représentées.
L’objectif de ce groupe de travail est de définir un protocole de sécurité tourné vers
l’avenir et permettant une communication
Une version “sécurité”
sur Ethernet avec des temps de cycle inféest en préparation
rieurs à 1 ms. Le travail fourni par ce grouLes protocoles de sécurité existant pe a déjà débouché sur la présentation d’un
aujourd’hui ne constituent pas une base livre blanc certifié TÜV au salon
viable pour la réalisation d’une communi- SPS/IPC/DRIVES de Nuremberg en
cation ouverte et temps réel sur Ethernet. novembre 2004.
C’est la raison pour laquelle a été créé, au Ethernet Powerlink Safety, appelé aussi EPLsein de l’EPSG le 27 juillet 2004, le groupe safety, définit une trame autonome, indépendante du bus et pouvant être
intégrée à d’autres protocoles
standards que Powerlink. Une
des caractéristiques phares
A propos de l’EPSG
des trames EPLsafety est leur
entière compatibilité avec
L’EPSG (Ethernet Powerlink Standardization
CANopen.
Group) est une organisation ouverte regrouEPLsafety permet d’atteindre
pant des utilisateurs finaux, des constructeurs
une sécurité de catégorie SIL
et des instituts de recherche en automatisa3 (selon IEC 61508) avec des
tion industrielle. Le but de cette organisation
temps de cycle ne dépassant
est de fournir un standard d’Ethernet induspas 100 µs, ce qui constitue
triel ouvert, alliant comportement temps réel,
une première ! (A titre de
grande précision, grande disponibilité et
comparaison, les protocoles
mécanismes de sécurité. ABB Robotics, Altera,
de sécurité mis en œuvre sur
Baldor, B&R, Hirschmann, Kuka Controls, KW
les bus de terrain affichent
Software, Lenze, National Instruments et Tetra
des temps de cycle supérieurs
Pak comptent parmi les membres de l’EPSG.
à la milliseconde). L’encapwww.ethernet-powerlink.org
sulation des trames EPLsafety et de leur contenu permet
38
d’utiliser pleinement les mécanismes de
transport standard d’Ethernet Powerlink.
La longueur des trames EPLsafety est adaptée en fonction des données utiles requises
par l’application. Il est possible de disposer
d’une bande passante de 1 à 32 octets de
données utiles (octobre 2004).
Basée sur ce protocole standard, la version
“longue” du protocole EPLsafety offre un
avantage intéressant : celui de permettre une
utilisation complète de tout le télégramme
Ethernet (1500 octets environ).
Les autres caractéristiques phares d’EPLsafety concernent le transport des données (Safety Data Transport) :
- intégration au standard Powerlink (protocole “embarqué”)
- Mapping PDO standard
- Position de la trame EPLsafety définie sans
ambiguïté (offset d’octet et longueur)
- Diffusion (1:n)
- Possibilité de communication directe capteur-actionneur
- Table de conversion (look-up) dans chaque
nœud de sécurité (Safety Node) pour identifier les messages appropriés
- Possibilité d’utiliser un nœud gestionnaire (Management Node)
Andreas Pfeiffer
B&R Automation
EPSG
Pour en savoir plus sur les mécanismes de fonctionnement de Powerlink,
vous pouvez consulter sur notre site www.mesures.com (rubrique
Archives/Réseaux et Communication) l’article publié sur ce sujet dans notre
numéro de février 2003.
MESURES 772 - FEVRIER 2005 - www.mesures.com