Labor Bussysteme. Versuch 3. Ethernet. Datum: Teilnehmer: Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik. Vorname Nachname Matrikel Nummer

Transkript

1 Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Versuch 3 Ethernet Teilnehmer: Vorname Nachname Matrikel Nummer Datum:

2 Inhalt 1 Allgemeines Ziele des Versuchs Ablauf des Versuchs Laborplatz Aufgabenstellung Schriftliche Vorbereitung Aufbau und Überprüfung der Netzwerkkonfiguration Einarbeitung in die Protokollanalysesoftware Wireshark Analyse eines Ethernetpakets mit dem Oszilloskop Untersuchungen an einer realen Anlage mit EtherCAT-Netzwerk Anhang

3 1 Allgemeines Ethernet wurde ursprünglich nicht als Feldbus definiert und erfüllt daher eigentlich nicht die typischen Kriterien, die an einen Feldbus gestellt werden. Als Hauptkriterium ist dabei die Echtzeitfähigkeit zu nennen. Durch die starke Verbreitung von Ethernet in lokalen Netzwerken (LAN) hat man versucht diese Technik auch in industriellen Fertigungsanlagen ein zu setzen. Dadurch entstand im Laufe der Zeit eine Vielzahl verschiedener Lösungen, die als Industrial-Ethernet bezeichnet werden und heute nebeneinander im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Der Versuch soll Sie daher nicht mit einer speziellen Industrial-Ethernet-Lösung vertraut machen, sondern grundlegende Prinzipien, die allen Ethernet-Lösungen gemein sind, aufzeigen. 2

4 2 Ziele des Versuchs Bei diesem Versuch sollen Sie grundlegende Funktionen und Einsatzweisen von Ethernet kennen lernen. Sie lernen zusätzlich den Umgang und die Funktionsweise von Protokollanalysesoftware kennen. Durch die Auswertung protokollierter Daten lernen Sie, wie Ethernet-Frames aufgebaut sind. 3 Ablauf des Versuchs Bereiten Sie sich gründlich auf den Versuch vor. Dazu gehört selbstverständlich eine selbständige Einarbeitung in die Thematik. Bringen Sie am Versuchstag die schriftliche Ausarbeitung der unter 5.1 gestellten Fragen mit. Als Vorbereitung sollten Sie ein genaues Messprogramm erstellt haben, was Sie wie messen wollen und die notwendigen Skizzen und Tabellen dazu erstellen. Tragen Sie bitte die schriftliche Vorbereitung zu den Aufgaben in diese Versuchsanleitung ein. Sollte der vorhandene Platz dafür nicht ausreichen, fügen Sie bitte zusätzliche Blätter ein. Damit der Aufbau durch falsche Handhabung keinen Schaden nimmt, sollten sie sich am Versuchstag vor Beginn Ihrer Messungen mit dem Aufbau und der Bedienung gründlich vertraut machen. Ihre Ergebnisse und Skizzen tragen Sie am Versuchstag handschriftlich in diese Versuchsanleitung ein. Tipp: Es kann sehr hilfreich sein, sich vorab mit einem System bzw. Aufbau vertraut zu machen. 3

5 4 Laborplatz Am Laborplatz stehen folgende Geräte und Hilfsmittel zur Verfügung: Mehrkanal HUB Zweikanal-Oszilloskop Ethernetfähiges eingebettetes System (epic) als Modell einer Anlage mit digitalen Ein- und Ausgängen, analogem Eingang und Temperatursensor Laptop Protokollanalysesoftware Wireshark auf dem Laptop Demoprogramm epic Demo auf dem Laptop Abbildung 1: Aufbau des Laborplatzes 4

6 5 Aufgabenstellung 5.1 Schriftliche Vorbereitung Als Vorbereitung auf den Versuchstermin arbeiten Sie bitte folgende Fragen in schriftlicher Form aus: Frage 1: Erklären Sie die folgenden Dinge: - Aufbau eines Ethernet-Pakets (mit Skizze) - Manchester-Codierung nach IEEE (mit Skizze) - CSMA/CD Zugriffsverfahren - MAC-Adresse - Netzwerkprotokoll UDP Frage 2: Welches sind die wesentlichen Merkmale und Unterschiede eines HUB und eines Switch? Frage 3: Erklären Sie das Address Resolution Protocol (ARP) und das Internet Control Message Protocol (ICMP) und wie hängen MAC-Adressen mit IP-Adressen zusammen? 5

7 5.2 Aufbau und Überprüfung der Netzwerkkonfiguration Bauen Sie mit dem Laptop, dem HUB und dem epic den Laborplatz auf und stellen Sie die korrekte Funktionalität fest. Verwenden Sie dazu den Kommandozeileninterpreter von Windows, das Address Resolution Protocol (ARP) und das Internet Control Message Protokol (ICMP). Machen Sie sich als Vorbereitung mit den benötigten Befehlen, wie arp, ipconfig und ping vertraut. Notizen Vorbereitung: Notieren Sie sich folgende Einstellungen: IP-Adresse Laptop: MAC-Adresse Laptop: Subnetmaske: IP-Adresse epic: MAC-Adresse epic: 6

8 5.3 Einarbeitung in die Protokollanalysesoftware Wireshark Machen Sie sich mit dem Analyse-Tool Wireshark vertraut. Dieses Programm können Sie sich von der Laborseite herunterladen. Die Hilfe zu diesem Programm finden Sie im Programm selber. Zeichnen Sie den Datenverkehr zwischen Laptop und epic auf. Um gezielt Daten auf dem Bus zu genieren verwenden Sie das Programm epic-demo in Verbindung mit dem epic. Versuchen Sie mit Hilfe von Filtern gezielt Daten, wie z.b. ein ARP-Frame, auf zu zeichnen. Die Kommunikation zwischen epic und Laptop (epic-demo) geschieht mithilfe des Netzwerkprotokolls UDP. Wie viel Byte Nutzdaten hat dieses UDP-Paket? Analysieren Sie die Datenpakete auf ihre Inhalte. Wie und wo im Datenpaket sind die LED, die Tasten, die Temperatur, das LCD und der analog Eingang kodiert? Als Übung können Sie den HUB mit dem Hausnetzwerk verbinden und den Datenverkehr beobachten. Zur Übung können Sie im Hausnetzwerk die Wetterstation mit der IP-Adresse mit einem Ping überprüfen. Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 7

9 5.4 Analyse eines Ethernetpakets mit dem Oszilloskop Schließen das Oszilloskop an den BNC-Ausgang des HUB an und nehmen Sie ein typisches Ethernetpaket auf. Suchen Sie das Synchronisationsmuster (Präambel) und den Start-Frame-Delimiter (SFD). Vergleichen Sie Ihre Messung mit den Angaben in der Literatur. Beachten Sie, dass es sich bei Ethernet um eine Manchester-Codierung handelt! Wie schaut die Bitfolge des Synchronisationsmusters und des SFD aus? Messen Sie Bitzeit und berechnen Sie daraus die Übertragungsrate des Netzwerks? Notizen Vorbereitung: Messergebnisse und Auswertung: 8

10 Notizen während des Versuchs: 9

11 5.5 Untersuchungen an einer realen Anlage mit EtherCAT-Netzwerk Zur Vorbereitung sollten Sie sich mit EtherCAT vertaut machen und die wichtigsten Einsatzgebiete, das Funktionsprinzip und die wesentlichen Unterschiede zum herkömmlichen Ethernet schriftlich zusammenstellen. Bei diesem Versuchsteil werden Ihnen die Betreuer EtherCAT an einer realen Anlage demonstrieren. Notizen während des Versuchs: 10

12 6 Anhang Abbildung 2: Prinzipaufbau des epic Abbildung 3: epic mit Applikationsbaugruppe 11