Die Zukunft der Netzwerke liegt in der Cloud

Autoren Irene Ruf Produkt Portfolio Managerin, Remote-I/O-Systeme Gerrit Lohmann Produktgruppenleiter, Remote-I/O-Systeme Sabrina Weiland Produkt Marketing Managerin, Remote-I/O-Systeme, Pepperl+Fuchs

Speziell im Bereich der Prozessautomation werden nur geringe Datenmengen übertragen, dies jedoch über große Ausdehnungen. Daher wird im Allgemeinen hier auf Funktechnologie zurückgegriffen, die auf im Kommunikationsstandard IEEE 802.15.04 beschriebenen Mesh-Netzwerken mit 250 kBaud basiert. Durch das Routing der einzelnen Signale über das gesamte Netzwerk ist eine sehr weitläufige Netzwerkstruktur möglich.

Die steuernde und überwachende Intelligenz des gesamten Netzwerkes ist durch den zentralen Netzwerkmanager sichergestellt, der das gesamte Netzwerk synchronisiert. Er bestimmt den jeweils besten Pfad zwischen einzelnen drahtlosen Teilnehmern und erlaubt den Teilnehmern, ihre Kommunikation innerhalb eines definierten Zeitfensters (Slot) abzuwickeln. Diese Informationen sind bei den Netzwerkteilnehmern in einer Art Tabelle hinterlegt. Innerhalb eines Zeitfensters werden die Daten übertragen und vom Empfänger quittiert. Werden keine Daten übertragen, gehen die Sensoren in einen Bereitschaftsmodus, um Energie zu sparen.

Die Kommunikation innerhalb des Netzwerks wird so optimiert, dass sich eine bestmögliche Performance hinsichtlich Geschwindigkeit, Datendurchsatz, Zuverlässigkeit und Energieverbrauch ergibt (A). Im Falle einer Störung innerhalb einer Kommunikationsstrecke versucht der Sender zunächst, die nicht quittierte Nachricht zu einem späteren Zeitpunkt nochmals zu senden. Dafür muss der Sender jedoch das nächste verfügbare und in der Tabelle hinterlegte Zeitfenster abwarten (B). Dies verlängert die Gesamtlaufzeit der Nachricht durch das Mesh-Netzwerk.

Nach einer bestimmten Anzahl erfolgloser Wiederholungen geht der sendende Netzteilnehmer davon aus, dass der Pfad nicht mehr verfügbar ist und die Nachricht wird schließlich über einen alternativen Pfad übertragen. Die Nachricht wird also anders geroutet. Dabei spricht man von einem selbstheilenden Netzwerk, das eine hohe Verfügbarkeit des Netzwerkes gewährleistet. Aber auch hier müssen jeweils vorgesehene Zeitfenster abgewartet werden, was die Gesamtlaufzeit nochmals verlängert (C).

Der erfolglose Versuch, die Nachricht über den ursprünglich vorgesehenen Weg durch das Netzwerk zu leiten, wird dem zentralen Netzwerkmanagement gemeldet, das daraufhin anfängt die Pfade aufgrund der neuen Gegebenheiten zu optimieren. Letztlich werden die Tabellen in den Funkteilnehmern, die die Informationen zu den Pfaden zwischen den drahtlosen Teilnehmern beinhalten, umgeschrieben und damit, dass Netzwerk an die neuen Bedingungen angepasst.

Die Mesh-Netzwerke, die nach den oben beschriebenen Verfahren arbeiten, sind sehr zuverlässig und eignen sich aufgrund der energiesparenden Kommunikation ideal für Netzwerke, die geringe Datenmengen über große Ausdehnung sicher transportieren sollen.

In Fehlerfällen oder Störungen, jedoch auch bei ungeplantem Bedarf an Kommunikationsressourcen für zum Beispiel Alarmmeldungen benötigt das Netzwerk aufgrund seiner zentralen Intelligenz im Netzwerkmanager Zeit, sich auf die neuen Gegebenheiten einzurichten. Wünschenswert wäre ein Weg, welcher bei Beibehaltung der positiven Eigenschaften ein flexibleres und schnelleres Netzwerk zur Verfügung hat.

In dem internationalen Forschungsprojekt Diwine, das von der EU unterstützt wird, entwickelt Pepperl+Fuchs zusammen mit anderen Partnern aus Industrie und Forschung neue Algorithmen und Lösungsansätze für Wireless-Ad-hoc-Netzwerke. Ziel ist ein flexibles Netzwerk, das auch in schwierigen Funkumgebungen sicher, schnell und zuverlässig arbeitet.

Das Hauptkonzept besteht hierbei darin, das zentrale Netzwerkmanagement durch dezentrale Intelligenz in den einzelnen Funkknoten zu ersetzen. Anstelle der relativ statischen, vom zentralen Netzwerkmanagement bestimmten Tabellen, treten verschiedene Algorithmen. Mittels Informationen über die Funkumgebung und erreichbarer Nachbarn verleihen diese Algorithmen jedem einzelnen Teilnehmer die Möglichkeit, auf Störungen oder ungeplante Anforderungen autonom und damit schneller zu reagieren. Somit gibt es auch keine übergeordnete steuernde Instanz, die die komplette Struktur des Netzwerkes verwaltet. Das Netzwerk stellt sich nach außen als Cloud dar. Die Cloud sorgt in ihrer Gesamtheit für einen sicheren und zuverlässigen Transport aller Nachrichten über das Mesh-Netzwerk ohne die Notwendigkeit, diese zwischen den einzelnen Teilnehmern zu quittieren. Dies geschieht dadurch, dass die Nachricht nicht zu einem dedizierten nächsten Funkteilnehmer gesendet, quittiert und dann weitergesendet wird, sondern durch ein Multicast, also Senden der Nachricht an verschiedene Teilnehmer, die diese Nachricht dann nicht mehr quittieren und autonom weiterverarbeiten (D).

Die Weiterverarbeitung besteht in einer Kontrolle, ob die Nachricht für den Teilnehmer bestimmt ist und einem Weiterleiten, falls dies nicht der Fall ist. Somit wird eine virtuelle Verbindung zwischen ursprünglichem Sender und dem endgültigen Empfänger hergestellt. Durch den Wegfall der Quittierung der einzelnen Nachrichten wird die Datenübertragung effektiver. Zusätzlich zu dieser effektiveren Datenübertragung können die Netzwerkteilnehmer mit Funktechnologie realisiert werden, die höhere Übertragungsraten bis zu 1 MBaud erlaubt. Durch die Evolution der Technologie steigt trotz höherer Übertragungsrate der Energieverbrauch im Vergleich zu IEEE 802.15.4 nicht, womit batteriebetriebene Funkteilnehmer realisierbar sind.

Im Fehlerfall – also, wenn ein Pfad gestört ist – sorgt das oben beschriebene Verfahren trotzdem für eine sichere Weiterleitung der Nachricht ohne signifikante Erhöhung der Signallaufzeit, da die Weiterleitung durch den Multicast-Ansatz parallel geschieht und nicht erst auf das nächste verfügbare Zeitfenster gewartet werden muss. Insbesondere bei ungeplanten Nachrichten wie z. B. Alarmmeldungen oder auch bei geplanten Nachrichten, die aufgrund der Applikationsforderungen schnell übertragen werden müssen, ist dies von Vorteil.

Das Gesamtprojekt geht über eine Laufzeit von drei Jahren. Nachdem im ersten Jahr die oben beschriebenen Verfahren theoretisch erarbeitet wurden, wird in der jetzt laufenden Phase an Demonstratoren gearbeitet, um die Konzepte auch praktisch zu prüfen. Pepperl+Fuchs als Industriepartner engagiert sich hier in der Form, dass Demonstratoren auf Basis von existierenden WirelessHart-Produkten gebaut und getestet werden. Diese Demonstratoren haben sowohl das WirelessHart- als auch das Diwine-Interface und sind somit Teilnehmer in beiden Netzwerkarchitekturen und vereinen damit die Vorteile von beiden. Das sehr energiesparende WirelessHart-Netzwerk wird dabei für reguläre Nachrichten genutzt, während die Diwine-Schnittstelle für asynchrone Nachrichten und unregelmäßige Dienste verwendet wird. Durch die Intelligenz des Diwine-Teils in den Demonstratoren wird ganz automatisch die Koexistenz beider Netzwerke sichergestellt, ohne die Agilität des Diwine-Ansatzes zu reduzieren. In der dritten Phase des Projektes werden erweiterte Lösungen erprobt, die auf Network-coding-Algorithmen basieren. Network coding ist eine Möglichkeit, den Datendurchsatz, die Effizienz und die Skalierbarkeit von Netzwerken zu erhöhen. Hierbei werden mehrere Nachrichtenpakete durch die weiterleitenden Teilnehmer gesammelt und in einer Übertragung kombiniert weitergeleitet.

Halle 11.1, Stand A41

prozesstechnik-online.de/cav0615478