EtherCAT Performance-Analyse

EtherCAT bleibt die schnellste Industrial Ethernet-Technologie

Im Rahmen einer Pressekonferenz im Jahr 2007 hat die PNO/PTO Performance-Vergleiche mit EtherCAT veröffentlicht. Diese haben für einige Verwirrung gesorgt und die ETG wurde diesbezüglich um Klarheit gebeten.

Das Material, welches die PNO/PTO veröffentlicht hat, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „ESANA“ erarbeitet, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gegründet wurde. Innerhalb dieses Projekts forschen Siemens, Phoenix Contact und einige andere nach Möglichkeiten, die Performance von Profinet zu verbessern.

Die Forscher fanden heraus, dass EtherCAT in typischen Anwendungsszenarios (Linienstruktur, 50 Knoten, < 60 Bytes, Zyklusdaten pro Knoten) erheblich schneller als die schnellste Profinet-Version „IRT“ ist. Dies wird im unten stehenden Diagramm dargestellt (tecat/tpn, veröffentlicht von der PNO bei besagter Pressekonferenz).

Das Ergebnis wird noch deutlicher, wenn man die relativen Zykluszeiten (für eine durchschnittliche Nutzlast < 60 Bytes pro Knoten) in umgekehrter Darstellung vergleicht (jetzt: tpn/ tecat). EtherCAT ist erheblich schneller:

Die Aussage der PNO, Profinet IRT sei schneller, sobald die durchschnittliche Nutzlast 60 Bytes pro Knoten überschreitet, ist korrekt.

Nichtsdestotrotz ist der Performance-Vergleich, welcher in den Diagrammen dargestellt ist, fragwürdig: Selbst bei einer Profinet geneigten Betrachtungsweise war es zunächst nicht möglich, diese Ergebnisse zu reproduzieren. EtherCAT ist wesentlich schneller als gezeigt, da einige EtherCAT-Features nicht in die Auswertung einbezogen wurden:

• EtherCAT kann dieselbe Bandbreite für Eingangs- und Ausgangsdaten nutzen (Full Duplex-Nutzung des Frames).
• EtherCAT kann den nächsten Frame losschicken, noch bevor der erste Frame zurückgekommen ist (Pipelining von Frames).

Wir haben gesehen, dass für EtherCAT 37,5 % Leistungseinbuße für unsymmetrische Prozessabbilder angenommen wurde.

Unabhängig von der Nutzlast pro Knoten ist EtherCAT demnach tatsächlich erheblich schneller als Profinet IRT.

Dies wurde ebenfalls im Konferenzbeitrag „A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT“, welcher von Gunnar Prytz, ABB Corporate Research Center, auf der 13th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA) im September 2008 in Hamburg veröffentlicht wurde, gezeigt.

Für weitere Grafiken und Details zu diesem Vergleich lesen Sie bitte die EtherCAT Performance-Analyse Teil 2.

Desweiteren enthält keine der Profinet-Berechnungen die lokale Stack-Leistung in den Slave-Geräten. Anders als bei EtherCAT holt sich bei einem Profinet IRT Slave-Gerät ein Kommunikations müC (ERTEC: ARM) die Daten von der MAC-Schnittstelle und macht sie so für die Anwendung verfügbar. Mit EtherCAT wird dies „on the fly“ in der Hardware erledigt: Die Daten werden im DPRAM oder Eingang/Ausgang des EtherCAT Slave Controllers ohne weitere Verzögerung zur Verfügung gestellt.

Auf der gleichen Pressekonferenz zeigte die PNO/PTO ein spezielles Anwendungsszenario (Kammstruktur mit 8 Zweigen, in welcher die Knoten in den Zweiglinien nur in jedem achten Zyklus aktualisiert werden), in welchem Profinet IRT die Leistung von EtherCAT angeblich übersteigt. Es ist allerdings äußerst irreführend, die Zykluszeit der Profinet Trunk Line mit der von EtherCAT zu vergleichen, da EtherCAT in diesem Szenario die Prozessdaten achtmal schneller aktualisiert als Profinet – und dies wurde in der Grafik nicht gezeigt. Die Optimierung der Trunk Line ist jedenfalls nicht in aktuellen Profinet-Produkten implementiert.

Zudem entwickelt Profinet derzeit eine neue IRT-Version, welche neue ASICs benötigt, die noch in der Entwicklung stehen und für 2009 erwartet werden. Solange wir aufgrund fehlender Details zur Technologie keine Aussagen bzgl. der Leistung zukünftiger Versionen treffen können, können wir dies für den gesamten Prozess:

• Es freut uns, dass die PNO EtherCAT als Performance-Messlatte gewählt hat und bedanken uns für die damit verbundene Publicity.
• Die PNO bestätigt unsere Aussage, dass High-end Performance mit Zykluszeiten deutlich unter 1ms ein entscheidendes Auswahlkriterium für eine Industrial Ethernet-Lösung ist.
• Die Analyse der PNO zeigt deutlich, dass EtherCAT in typischen Anwendungsszenarien deutlich schneller als die schnellste Profinet Variante IRT class 3 ist.
• Wir gratulieren der PNO, dass sie ein spezielles Szenario gefunden hat (Kammstruktur, in der die Knoten in den Zweiglinien nicht in jedem Zyklus aktualisiert werden), in welchem Profinet die Leistung von EtherCAT in einer zukünftigen Version allem Anschein nach übertreffen wird.
• Besagte Kammstruktur wurde mit einer EtherCAT-Linienstruktur verglichen – nicht etwa mit einer noch schnelleren EtherCAT-Kammstruktur, in der die Knoten in den Zweiglinien in jedem Zyklus aktualisiert werden können.
• EtherCAT ist und bleibt die schnellste Industrial Ethernet-Lösung.
• EtherCAT braucht jetzt und in Zukunft nicht die komplexe Netzwerkplanung und -optimierung, die aktuelle und zukünftige Profinet IRT-Varianten benötigen.