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Beitragstyp: FAQ Beitrags-ID: 26171811, Beitragsdatum: 06.08.2018
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Welche Eigenschaften, Vorteile und Besonderheiten bieten die Protokolle TCP, ISO-on-TCP, UDP und ISO-Transport?

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In einer Übersicht werden die Eigenschaften, Vorteile und Dienste der Protokolle TCP, ISO-on-TCP, UDP und ISO-Transport dargestellt.

Bild 1 zeigt die Einordnung der Protokolle TCP, ISO-on-TCP, UDP und ISO-Transport in das ISO-OSI-Referenzmodell.



Bild 1
   


TCP-Protokoll

Wenn Daten mit dem TCP-Protokoll übertragen werden, erfolgt die Übertragung in Form eines Datenstroms. Es werden dabei weder Informationen zur Länge noch Informationen über Anfang und Ende einer Nachricht übertragen.
Der Empfänger kann nicht erkennen, wo eine Nachricht im Datenstrom endet und wo die nächste im Datenstrom beginnt. Deshalb muss der Sender eine Nachrichtenstruktur festlegen, die beim Empfänger interpretiert werden kann. Die Nachrichtenstruktur kann sich z.B. aus den Daten und einem abschließenden Steuerzeichen wie "carriage return", über welches das Ende einer Nachricht signalisiert wird, zusammensetzen.
Das TCP-Protokoll setzt auf dem Internet-Protokoll (IP) auf, weshalb häufig vom "TCP/IP-Protokoll" die Rede ist. Es ist in Schicht 4 des ISO-OSI-Referenzmodells angesiedelt.
 

ISO-on-TCP-Protokoll

Die paketoruentierte Übertragung von Daten ist der große Vorteil des ISO-Transport-Protokolls. Die fehlende Routing-Funktionalität entwickelte sich durch die fortschreitende Vernetzung zu einem immer größeren Nachteil.
Da sich durch das Internet das routingfähige TCP-Protokoll immer mehr durchsetzte, wurde versucht die Vorteile beider Protokolle zu verbinden. In der Erweiterung RFC 1006 (RFC = Request of Comments) "ISO on top of TCP", auch ISO-on-TCP genannt, wird die Abbildung der Eigenschaften des ISO-Transport-Protokolls auf das TCP-Protokoll festgeschrieben. Das ISO-on-TCP-Protokoll ist ebenfalls auf Ebene 4 des ISO-OSI-Referenzmodells angesiedelt und definiert den Port 102 als Default-Port für die Datenübertragung.
Dieses Protokoll ist durchgehend in den aktuellen Baugruppen der SIMATIC S7, SIMATIC PC und mit Einsatz des CP 1430 TCP in der SIMATIC S5 nutzbar.
 

UDP-Protokoll

Das UDP-Protokoll wurde eingeführt, um Daten schnell und unkompliziert zu übertragen.
Das UDP-Protokoll befindet sich auf Ebene 4 (Transport Layer) des ISO-OSI-Referenzmodells und setzt somit auf die IP-Schicht (Layer 3) auf.
Der Empfänger der Daten wird mit Hilfe von IP-Adressen adressiert. Das zu sendende Datenpaket wird nur durch minimale Verwaltungsinformationen vergrößert, so dass der Datendurchsatz höher als beim TCP-Protokoll und ISO-on-TCP ist.
Das UDP-Protokoll stellt aufgrund der der Forderung, dass Daten schnell übertragen werden, lediglich grundlegende Funktionen zur Verfügung. Somit können mit minimalem Aufwand Daten zwischen kommunizierenden Partnern ausgetauscht werden. Auf Sicherheitsmechanismen, wie sie beim TCP-Protokoll und ISO-on-TCP-Protokoll vorhanden sind, wird beim UDP-Protokoll verzichtet. Das UDP-Protokoll ist verbindungslos und für Echtzeitanforderungen geeignet. Da es keine Garantie für eine korrekte Übermittlung der Daten gibt, ist es unzuverlässig.

Bild 2 zeigt den Aufbau des UDP-Protokolls. Neben den zu übertragenden Nutzdaten werden weitere Informationen mitgesendet, die sich immer am Anfang eines UDP-Telegramms im Header befinden. Der Header besteht aus folgenden 4 Datenfeldern, die jeweils 16 Bit lang sind.

  • Quell-Port
  • Ziel-Port
  • Länge
  • Prüfsumme 


Bild 2

Leisungseckdaten

Tabelle 1 zeigt die Leistungseckdaten des UDP-Protokolls.
 

KriteriumLeistungseckdatenHinweis
DefinitionRFC 768Herstellerneutral
ÜbertragungsmediumKabel, Lichtwellenleiter, Funk-
Übertragungsgeschwindigkeitabhängig von der Netzphysik, bis zu 1 GBit/s-
anschließbare Geräte und Zugriffsverfahren
  • Unicast
  • Multicast
  • Broadcast

zulässige Verfahren:

  • CSMA/CD
  • CSMA/CA

Tabelle 1
 

ISO-Transport

Historisch betrachtet war das ISO-Transport-Protokoll, als Ebene 4 Schnittstelle des ISO-OSI-Referenzmodells, das erste Ethernet-Protokoll in der SIMATIC. Das ISO-Transport-Protokoll basiert auf dem ISO-Protokoll, definiert in der ISO 80763 TP0.
Der große Vorteil dieses Protokolls liegt in der nachrichtenorientierten Übertragung der Daten, das eine Erleichterung der Verarbeitung innerhalb des Automatisierungssystems nach sicht zieht.
Da beim ISO-Transport-Protokoll jedoch die Layer 3-Implementierung fehlt, ist keine Netzwerkadressierung und damit kein Routing möglich.
Durch die gute Bestimmbarkeit der Datenübertragung ist das ISO-Transport-Protokoll, im Gegensatz zum TCP-Protokoll, auch für hochverfügbare Systeme geeignet. Eine Anbindung von S5-Systemen ist mit diesem Protokoll ebenfalls möglich.
 

Socket und Ports

Auf Multitasking-Betriebssystemen können mehrere Prozesse gleichzeitig laufen, wobei jeder Prozess auch mehrere Dienste zur Verfügung stellen kann. Diese sollten separat adressierbar sein.
Aus diesem Grund werden sowohl beim TCP/IP- als auch beim UDP-Protokoll spezielle Schnittstellen für die Datenkommunikation definiert, die sogenannten Ports. Diese Erweiterung der Host-zu-Host- auf eine Prozess-zu-Prozess-Übertragung wird als Anwendungsmultiplexen und -demultiplexen bezeichnet.

Zusammen mit der IP-Adresse einer Station bilden die Portnummern (lokal und entfernt) einen Socket, der als eindeutige Adresse des Anwenderprogramms im gesamten Netzwerk definiert ist. Mit einem Socket kann also ein beliebiger Dienst eines Prozesses auf einer Station innerhalb eines Netzwerkes adressiert werden.

Im SIMATIC Umfeld können auf einer CPU nicht mehrere "gleichzeitig" laufende Prozesse oder Anwenderprogramme erstellt werden. Dennoch können mehrere Kommunikationsaufträge gleichzeitig angestoßen werden. Damit auch hier eine eindeutige Adressierung möglich ist, muss eine Zuordnung über die Verbindungsprojektierung erfolgen.
   

Dienste der Protokolle TCP, ISO-on-TCP und ISO-Transport 

  • Send/Receive
    Die SEND/RECEIVE-Schnittstelle wird genutzt, um Daten zwischen zwei Client Stationen aktiv zu übertragen. Hierbei werden die Daten mit Hilfe von Sende- und Empfangsbausteinen zwischen den Stationen ausgetauscht.
  • Fetch/Write
    Fetch/Write ist ein Dienst, mit dem Daten aus einer Serverstation ausgelesen oder in diese geschrieben werden. Der Zugriff erfolgt hierbei über das Betriebssystem der passiven Serverstation, ohne weitere Funktionsaufrufe innerhalb der Serverstation. Die SIMATIC S7 hat den Fetch/Write Dienst nur in Server Funktionalität implementiert. Demzufolge kann die SIMATIC S7 nicht aktiv Daten lesen oder schreiben. Clients sind in der Lage, aktiv Daten aus der SIMATIC S7 zu lesen und in die SIMATIC S7 zu schreiben.

Mengengerüst

Im Beitrag 18909487 finden Sie Informationen zur max. Anzahl der Nutzdaten pro Auftrag und zur Anzahl der möglichen Verbindungen, die die CPUs mit integrierter PROFINET-Schnittstelle, die S7-Software-Controller und die WinAC RTX unterstützen.

Im Beitrag 16767769 finden Sie Informationen zur max. Anzahl der Nutzdaten pro Auftrag und zur Anzahl der möglichen Verbindungen, die die Industrial Ethernet CPs  der SIMATIC S7-300 unterstützen.

Im Beitrag 15368142 finden Sie Informationen zur max. Anzahl der Nutzdaten pro Auftrag und zur Anzahl der möglichen Verbindungen, die die Industrial Ethernet CPs der SIMATIC S7-400 unterstützen.

Eigenschaften des TCP-Protokolls
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Protokolle TCP, ISO-on-TCP, UDP und ISO-Transport.
 

TCP-ProtokollISO-on-TCP-Protokoll UDP-Protokoll  ISO-Transport-Protokoll
schnelle Datenübertragungschnelle Datenübertragungsehr schnelle Datenübertragung sehr schnelle Datenübertragung

für die Übertragung von mittleren bis großen Datenmengen geeignet

  • bis zu 64 kByte pro Auftrag bei S7-1500
  • bis zu 8 kByte pro Auftrag bei S7-1200
  • bis zu 32 kByte pro Auftrag bei S7-300 und S7-400
  • bis zu 8 kByte pro Auftrag bei den Industrial Ethernet CPs der S7-300 und S7-400
 für die Übertragung von mittleren bis großen Datenmengen geeignet
  • bis zu 64 kByte pro Auftrag bei S7-1500
  • bis zu 8 kByte pro Auftrag bei S7-1200
  • bis zu 32 kByte pro Auftrag bei S7-300 und S7-400
  • bis zu 8 kByte pro Auftrag bei den Industrial Ethernet CPs der S7-300 und S7-400

für die Übertragung von kleinen bis mittleren Datenmenegen geeignet:

  • Folgende Baugruppen unterstützen bis zu 1472 Byte pro Auftrag:
    - S7-1500 CPUs Firmware-Stand < V2.5
    - S7-1500 CPUs ab Firmware-
    Stand V2.5 (Broadcast)
    - S7-1200 CPU
    - S7-300 CPUs
    - S7-400 CPUs 
  • Folgende Baugruppen unterstützen bis zu 2 kByte pro Auftrag
    - Industrial Ethernet CPs der S7-300 und S7-400
    - S7-1500 CPUs ab Firmware-
    Stand V2.5 (Unicast und Multicast)

für die Übertragung von mittleren bis großen Datenmengen geeignet

  • bis zu 8 kByte pro Auftrag bei den Industrial Ethernet CPs der S7-300 und S7-400
basiert auf auf dem Internet Protokoll (IP)basiert auf auf dem Internet Protokoll (IP)basiert auf auf dem Internet Protokoll (IP)basiert auf MAC-Adressen
verbindungsorientiertverbindungsorientiertverbindungslosverbindungsorientiert
routingfähigroutingfähigroutingfähignicht routingfähig

Daten werden als Datenstrom übertragen.

paketorientierte Datenübertragung

paketorientierte Datenübertragungpaketorientierte Datenübertragung
Das Protokoll quittiert das Senden und den Empfang der Daten.Das Protokoll quittiert das Senden und den Empfang der Daten.Das Protokoll qittiert lediglich das erfolgreiche Senden der Daten in das Netz und nicht die Ankunft der Daten in der Zielstation.Das Protokoll quittiert das Senden und den Empfang der Daten.
Datenverluste werden erkannt und automatisch behoben.

Datenverluste werden erkannt und automatisch behoben.

  • Es gibt keine Garantie, dass ein gesendetes Datenpaket beim Empfänger ankommt, oder dass ein gesendetes Datenpaket nur einmal beim Empfänger eintrifft.
  • Die Ankunftsreihenfolge der Datenpakete beim Empfänger kann nicht vorhergesagt werden.
  • Datenpakte mit fehlerhafter Prüfsumme werden verworfen und nicht neu angefordert.

Datenverluste werden erkannt.

Bei der Übertragung von dynamischen Datenmengen muss der Sender eine Nachrichtenstruktur festlegen , die vom Empfänger interpretiert werden kann, da Länge und Informationen über Anfang und Ende eines Telegramms nicht mit übertragen werden.

Übertragung von dynamischen Datenmengen ist möglich, da Länge und Informationen über Anfang und Ende eines Telegramms mit übertragen werden. Übertragung von dynamischen Datenmengen ist möglich, da Länge und Informationen über Anfang und Ende eines Telegramms mit übertragen werden. Übertragung von dynamischen Datenmengen ist möglich, da Länge und Informationen über Anfang und Ende eines Telegramms mit übertragen werden. 

flexibel mit Fremdsystemen einsetzbar 

hauptsächlich in SIMATIC homogenen Strukturen einsetzbarflexibel mit Fremdsystemen einsetzbar hauptsächlich in SIMATIC homogenen Strukturen einsetzbar
gesonderte Routerprojektierung und Routereinstellung erforderlich (Router muss in der Hardwareprojektierung der CPU oder des CPs eingetragen werdengesonderte Routerprojektierung und Routereinstellung erforderlich (Router muss in der Hardwareprojektierung der CPU oder des CPs eingetragen werdengesonderte Routerprojektierung und Routereinstellung erforderlich (Router muss in der Hardwareprojektierung der CPU oder des CPs eingetragen werden -

Tabelle 2

Hinweise

  • Im Beitrag 109747710 finden Sie Basisbeispiele zur Open User Communication (OUC).
  • Allgemeine Informationen zur Kommunikation über SIMATIC S7 finden Sie unter der Beitrags-ID: 20982954.
Securityhinweise
Um technische Infrastruktur, Systeme, Maschinen und Netzwerke gegen Cyber-Bedrohungen zu sichern, ist es erforderlich, ein ganzheitliches IT Security-Konzept zu implementieren (und kontinuierlich aufrechtzuerhalten), das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Die Produkte und Lösungen von Siemens formen nur einen Bestandteil eines solchen Konzepts. Weitergehende Informationen über Cyber Security finden Sie unter
https://www.siemens.com/cybersecurity#Ouraspiration.
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