Redundant Ethernet-based fieldbuses

Ethernet-pohjaisten kenttäväylien suosio teollisuudessa on kasvanut viime aikoina voimakkaasti. Ethernet tarjoaa suuren bittinopeuden, edulliset laitteet ja tekniikkaa on tutkittu laajasti. Diplomityö esittelee Ethernet-tekniikan perusteet ja joitakin teollisuudessa käytettäviä Ethernet-pohjaisia kenttäväyläprotokollia. Työn tarkoitus on tehdä tiivis käsikirja eri Ethernet-pohjaisista kenttäväyläprotokollista ja erityisesti niiden redundanttisuusominaisuuksista. Lähempään tarkasteluun on otettu redundantti EtherNet/IP ja sen alemmat kerrokset, sekä implementoitu redundanttisuus ABB:n ACS350-taajuusmuuttajaan.

Metro Ethernet -tekniikka: verkko, palvelut ja suunnittelu

Työ aloitettiin perehtymällä Metro Ethernet verkon eriosiin kuten Ethernet-verkkoon, MultiProtocol Label Switching verkkoon ja näiden verkkojen eriosiin. Työssä siis tarkasteltiin lähemmin Ethernet verkon toimintaa sekä sen tarjoamia standardeja kaistannopeuteen, kaapeli materiaaleihin ja kehysrakenteeseen. Tarkasteltiin myös MultiProtocol Label Swit-ching verkon rakennetta, pakettien reititys perusteita pohjautuen Ethernet verkon kehysrakenteeseen, Internet Protocol over MultiProtocol Label Switching tekniikkaa sekä näihin liittyviä alakäsitteitä kuten palvelunlaatu, virtuaaliyhteys, MAC-osoite jne. Kun työssä oli selvitetty Metro Ethernet verkon taustat ja perusteet voitiin siirtyä tutkimaan Metro Area Network ja Metro Ethernet Networks verkkojen tarkempaa rakennetta ja niiden mahdollisuuksia. Koska työn aiheena on Metro Ethernet-verkko, tulee myös tutkia Metro Ethernet Forum järjestöä jossa päätetään kaikki Metro Ethernet-verkkoon liittyvät asiat ja mm. MEF standardit. MEF standardeja on 16 kappaletta ja ne määrittelevät mm. Metro Ethernet verkon palvelut ja verkon arkkitehtuurin. Viimeisenä tutkimusalueena oli kolmen eri verkkolaitteen tutkiminen ja jo valmiina olevien verkkolaitteiden mahdollisuuksien kartoitus. Laitteiden tutkinnassa perehdyttiin Metro Et-hernet-verkko mahdollisuuksiin jokaisen laitevalmistajan tarjoamalla Internet Protocol over MultiProtocol Label Switching tekniikalla. Lopuksi tutkittiin vielä verkkosuunnitelman poh-jan luomista sekä itse suunnitelmaa, aikaisempien tutkimus tulosten pohjalle. Tutkimuksen tuloksena saatiin Metro Ethernet verkon ja käyttökelpoisten verkkolaitteiden tutkimusraportti ja käyttökelpoinen Metro Ethernet-verkkosuunnitelma jota voi käyttää mahdollisesti suoraan pohjana tai ainakin vertailu pohjana käytännön toteutuksessa.

Langattomat Ethernet-teknologiat ja niiden verkkoturva

Tässä opinnäytetyössä tutustutaan IEEE 802.11 -standardien perheeseen. Työssä esitellään WLAN-yhteyksien evoluutio nykypäivään asti ja niiden suojaus. Lisäksi esitellään kaksi muuta langattoman yhteyden standardia, IEEE 802.16 ja IEEE 802.16, jotka on suunniteltu kattamaan kaupunkialueita. Työ on tehty täysin kirjallisuustutkielmana. Lähteinä on käytetty sekä painettua kirjallisuutta että Internet-lähteitä. WLAN-yhteys tuo mukanaan lähes kaapelittoman verkon, mutta samalla se tarjoaa mahdollisuuden hyväksikäyttää yhteyttä. Tukiasemat ovat oletuksena suojaamattomia ja harva kotikäyttäjä ymmärtää edes mitä langattoman verkon suojaaminen tarkoittaa. Yrityksissä WLAN-suojaus tulisi ottaa edellistä vakavammin, yrityksen liikesalaisuuksien vuotaminen WLAN-yhteyden kautta tulisi olla mahdotonta. Pääpaino työssä on suojaustapojen käsittelyssä mahdollisimman laajasti. Lisäksi annetaan ehdotus kuinka suojata langaton lähiverkko niin kotona kuin yrityksessä. Työtä voidaan käyttää apuna suunnitellessa WLAN-verkon suojaamista.

Suunnitelma Ethernet-pohjaisen TCP/IP-verkon toteuttamiseksi prosessitietoliikenteen tarpeisiin Helsingin Energiassa

Prosessitietoliikenneverkko toimii mm. energian tuotannon, siirron ja jakelun käytönvalvontajärjestelmien tiedonsiirron alustana. Tietoliikenneverkkojen rooli osana yrityksen operatiivisia prosesseja kasvaa järjestelmäuusintojen myötä ja järjestelmien tehokas hyödyntäminen vaatii luotettavat sekä nopeat tietoverkot. Uusittavien järjestelmien tietoliikenneratkaisut perustuvat pääsääntöisesti Ethernetpohjaiseen TCP/IP-verkkotekniikkaan. Tällä hetkellä prosessijärjestelmien tiedonsiirtoyhteydet kenttälaitteiden ja valvomojärjestelmien välillä on pääsääntöisesti toteutettu PCM-siirtojärjestelmällä tai kiinteän yhteyden modeemeilla. Käytössä oleva PCM-tekniikka on elinkaarensa loppupuolella ja tiedonsiirtonopeudet sekä liityntärajapinnat eivät täytä nykyaikaisten prosessijärjestelmien tiedonsiirto¬vaatimuksia. Työssä käytiin läpikeskeisimmät Ethernet-tekniikkaan ja TCP/IP-protokollaperheeseen liittyvät standardit ja verkon aktiivilaitteet. Vaatimusmäärittelyissä selvitettiin Helsingin Energian eri liiketoimintayksiköiden tarpeita sekä energia-alan lainsäädännön vaatimuksia prosessitietoliikenneverkolle. Tarpeiden ja vaatimusten pohjalta verrattiin kolmea eri vaihtoehtoista verkkotekniikkaa: kytkintekniikkaa, reititintekniikkaa ja MPLS-tekniikkaa. Vertailun perusteella valitulla verkkotekniikalla tehtiin suunnitelma avoimesta, valmistajasta riippumattomasta standardeihin perustuvasta yritystason Ethernet-pohjaisesta TCP/IP prosessiverkkoratkaisusta. Johtopäätöksissä pohditaan valitun ratkaisun käytettävyyttä, tietoturvaa sekä toimenpiteitä niiden kehittämiseksi.

Analysing the power consumption behaviour of Ethernet switch using Design of Experiment

At present, one of the main concerns of green network is to minimize the power consumption of network infrastructure. Surveys show that, the highest amount of power is consumed by the network devices during its runtime. However to control this power consumption it is important to know which factors has highest impact on this matter. This paper is focused on the measurement and modeling the power consumption of an Ethernet switch during its runtime considering various types of input parameters with all possible combinations. For the experiment, three input parameters are chosen. They are bandwidth, link load and number of connections. The output to be measured is the power consumption of the Ethernet switch. Due to the uncertain power consuming pattern of the Ethernet switch a fully-comprehensive experimental evaluation would require an unfeasible and cumbersome experimental phase. Because of that, design of experiment (DoE) method has been applied to obtain adequate information on the effects of each input parameters on the power consumption. The whole work consists of three parts. In the first part a test bed is planned with input parameters and the power consumption of the switch is measured. The second part is about generating a mathematical model with the help of design of experiment tools. This model can be used for measuring precise power consumption in different scenario and also pinpoint the parameters with higher influence in power consumption. And in the last part, the mathematical model is evaluated by comparing with the experimental values.

Feasibility of replacing multiple ADSL connections with Multi-Dwelling Access

This final project was made for the Broadband/Implementation department of TeliaSonera Finland. The question to be examined is if the operator should replace multiple ADSL connections implemented over a leased line with Multi-Dwelling access based on an Ethernet/Optical Fibre access network. The project starts with describing the technology related to these access network solu-tions and presents the technology that is used in TeliaSonera Finland's access network. It continues from the technology to describe the problem with some of the ADSL implemen-tations of TeliaSonera. The problem is the implementations done over a leased line that can cost TeliaSonera over years as much as a possible investment to extend network when there is several lines leased to the same building. The project proposes a Multi-Dwelling access as a solution to this problem and defines the circumstances when to use it. After a satisfactory solution has found the project takes a view how implementation of the solution might alter the network and a new problem is found. When used commonly to replace need of ADSL implementation Multi-Dwelling access would significantly increase optical cable congestion near operators POP. As a final deed this project also proposes a technical change to existing way to implement multi-dwelling access with EPON technology.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Ennakoivan Bluetooth -verkon hyödyntäminen paikkatietoon pohjautuvan opastusjärjestelmän toteutuksessa

Tekniikan kehitys ja elämänrytmin kiihtyminen ajaa eteenpäin sekä tarvetta että mahdollisuuksia toteuttaahenkilökohtaisia opastusjärjestelmiä. Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat mahdollistavat erilaisten paikkasidonnaisten palveluiden, kuten opastusjärjestelmien toteuttamisen kohtuullisilla kustannuksilla. Markkinoilla olevista järjestelmistä sisätiloihin sijoittuvaan reaaliaikaiseen opastukseen soveltuvaa järjestelmää on vaikea löytää ja useimmat niistä hyödyntävät WLAN -tekniikkaa, joka ei ole kovin laajasti tuettuna matkapuhelimen kaltaisissa kannettavissa päätelaitteissa. Tässä työssä tuodaan esille Bluetooth -tekniikalla toteutettavien reaaliaikaisten järjestelmien ongelmia ja esitellään yksi ratkaisumalli. Toimintaa vaikeuttaa lähinnä pitkä yhteyden muodostumisaika, joka koostuu verkon laitteiden hakemiseen kuluvasta pitkästä vaikeasti kestoltaan arvioitavasta ajasta ja valittuun kohteeseen yhteyden muodostamiseen kuluneesta ajasta. Toteutetussa Bluetooth -opastusjärjestelmässä opastettavien laitteiden hakeminen liityntäpistettä vaihdettaessa on voitu jättää pois, koska yhteyden muodostamiseen vaaditut tiedot välitetään liityntäpisteille kiinteän Ethernet -verkon välityksellä. Työntuloksena syntyneen opastusjärjestelmän käyttökokemukset osoittavat opastusverkon suunnittelun olevan haastava tehtävä, mutta verkon toimintakuntoon saattamisen jälkeen järjestelmän suorituskykyyn saadaan huomattava parannus. Demonstraatiototeutus rajoittaa käytettävän laitteiston Linux-pohjaisiin järjestelmiin, vaikka laajemman käyttöönoton varmistamiseksi järjestelmä tulisi tehdä siirrettäväksiesimerkiksi Symbian -alustalle.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

New telecom services over next generation SDH

Our main aim in this report is to use Next generation SDH to solve the problem associated with the new telecom services. We have tried to analyze the different services and in this way identified some drawbacks which can be seen as hindrances in supporting these services. In this thesis we will first try to have idea of the past SDH technology and how the next generation SDH came into effect overriding the drawbacks of the past SDH technology. Our main concern throughout the report will be the way we can use next generation SDH to provide quality telecommunication services. In the section dealing with the telecommunication services through next generation SDH we will consider how we can transport Ethernet services through the Next generation SDH and what are the benefits to the customer and the service provider in using next generation SDH as a carrier. We will also see to improve to the ATM services through Next generation SDH. And finally towards the end I have identified some possible future work can be done in this area.

Teollisuus-Ethernetin teknistaloudellinen selvitys sähkötukkukaupan näkökulmasta

Tässä työssä tarkastellaan keinoja ja tekniikoita, joilla Ethernet-standardin mukainen tiedonsiirtoliikenne voidaan implementoida teollisuudessa kenttälaitetasolle. Työn on tilannut Suomen johtava sähkötukkuliike SLO Oy, joka on kiinnostunut automaatioalan tilanteesta ja tulevaisuuden näkymistä. Työssä käydään läpi Ethernet-tekniikan perusteet, ja sen soveltaminen teollisuudessa kenttäväylänä, sekä muussa automaatiossa. Lisäksi katsotaan läpi tärkeimmät Ethernet-kenttäväyläprotokollat ja menetelmät, joilla Ethernet-tekniikka saadaan vastaamaan teollisuuden vaatimuksiin reaaliaikaisuuden ja deterministisyyden osalta. Työssä haastatellaan muutamia suunnittelutoimistoja, asennusliikkeitä, sekä kahta teollisuuden loppuasiakasta. Näiden haastattelujen, sekä kansainvälisen markkinatutkimuksen pohjalta tarkastellaan alan markkinatilannetta ja toimintamalleja, sekä laaditaan SLO:lle SWOT-analyysi. Analyysin pohjalta tehdään johtopäätöksiä SLO:n toiminnan mahdollisesta laajentamisesta. Tuloksena on kattava selvitys Ethernet-teollisuusautomaatiosta ja Ethernet-tekniikan hyödyntämisestä teollisuudessa yleensäkin. SLO:n kannalta mielenkiintoisimpia vaihtoehtoja ovat Profinet ja EtherCAT-järjestelmät, jotka voisivat olla sopivia SLO:n tuotevalikoimaan.

Kytkentäisen lähiverkon palvelutason mittaaminen

Tässä diplomityössä tutkittiin yrityksen Ethernet-lähiverkon palvelutasoa, palveluiden saatavuuden näkökulmasta. Tutkimus pohjautui käytännön tarpeeseen. Palvelun saatavuuteen verkon osalta vaikuttavat sen käyttöaste, virheet ja viiveet. Työssä käytettiin valmiita kaupallisia ohjelmia verkon hallintaan ja verkkostatistiikan keräämiseen. Työssä selvitettiin teoriapohjaa laitteiden, kytkentätekniikoiden, palvelulaatuprotokollien (QoS), tietoliikenneprotokollien, RMON:in, SNMP:in ja VLAN:in osalta, jotka yhdessä muodostavat kytkentäisen lähiverkon palvelutason. Työn tuloksena todettiin mittauskohteena olevan lähiverkon palvelutason olevan hyvällä tasolla. Työn tuloksista pääteltiin tulevaisuuden suurimpana haasteena olevan lähiverkkoja yhdistävien yhteyksien nostaminen selvästi paremmalle suoritustasolle. Lähiverkkojen teoreettinen suorituskyky onkin useimmiten riittävä, mutta lähiverkkojen hallinnassa on parantamisen varaa. Työssä toteutettiin seurantajärjestelmä, jolla on helppo seurata lähiverkon palvelutason kehitystä jatkossa.

Network Device Driver Design and Implementation for Symbian Operating System

Tämä diplomityö esittää Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuuriin perustuvan paikallisverkkokortin (LAN) käyttöönottoa. Pääajatus oli keskitetty langattoman LAN— kortin (WLAN) ajureiden käyttöönottoon. Jokainen Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurin komponentti oli huolellisesti tutkittu, painottaen mahdollista langattoman yhteyden uudelleenkäyttöä. Myös olemassaolevan Ethernetkortin ajureiden uudelleenkäyttö oli huolellisesti otettu huomioon. Diplomityöprojektin aikana esimerkki WLAN-kortin ajurin lähdekoodista oli esitetty. Tämä ajuri on kirjoitettu NOKIA DTN-20 WLAN-korttia varten. Havaittiin myös, että suurin osa Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurista voidaan käyttää myös WLAN-pohjaisessa yhteydessä ilman muutoksia.. Esitetty ajuri käyttää myös tiettyjä olemassaolevan Ethernetkortin ajureita, esim. Logical Device Driver (LDD):tä.

Multilayer switch hardware support for Linux

VDSL on teknologia, joka mahdollistaa nopeat Internet-yhteydet tavallista puhelinlinjaa käyttäen. Tätä varten käyttäjä tarvitsee VDSL-modeemin ja Internet-operaattori reitittimen, johon VDSL-linjat kytketään. Reitittimen on oltava suorituskykyinen, jotta kaikki VDSL-liikenne voidaan reittittää eteenpäin. Tehokkuutta haetaan tekemällä suuri osa reitityksestä erityisillä reititinpiireillä. Tässä diplomityössä käsitellään reititinpiirien teoriaa ja niiden hallintaa. Lisäksi vertailtiin kolmen suuren valmistajan tuotteita. Tuotteiden tarjoamat ominaisuudet vaikuttivat hyvin yhteneväisiltä. Ominaisuuksien hallinta ja toteutus olivat erilaisia. Työn tavoitteena oli löytää ohjelmistoarkkitehtuuri piirien ohjaamiseen niin, että Linux-käyttöjärjestelmän ytimen palveluja voitaisiin käyttää mahdollisimman hyödyllisesti. Työssä havaittiin, että ohjelmistoarkkitehtuurin voi määritellä monella eri tavalla riippuen siitä, miten piiri on kytketty prosessoriin, mitä piirin ominaisuuksia halutaan käyttää ja miten arkkitehtuuria halutaan jatkossa laajentaa.

Sulautetun järjestelmän Web-käyttö

Diplomityössä on tutkittu sulautetun järjestelmän liittämistä Ethernet-verkkoon sekä TCP/IP-protokollapinoon kuuluvien tavallisimpien protokollien toimintaa. Työn tuloksien perusteella on suunniteltu harjoitustyö, jota voidaan käyttää sähkötekniikan osaston opetuksessa. Työssä hankittiin Atmelin sulautettu Web-serverikortti (EWS) ja STK500-kortti serverin ohjelmointiin. Serverin mukana tuli Internet-yhteyden mahdollistava TCP/IP-pinon lähdekoodi. Työssä selvitettiin TCP/IP:hen kuuluvien protokollien toimintaa teoriassa ja käytännön toteutusta EWS:n avulla. Lähdekoodiin lisättiin ominaisuudet, joiden avulla laite hakee kellonaikatiedot aikapalvelimelta time-protokollaa käyttäen ja lähettää sähköpostia määriteltyyn osoitteeseen sähköpostipalvelimen kautta. Laitetta käytettiin sekä palvelimena että asiakkaana. Työssä perehdyttiin sulautettujen järjestelmien yleisiin ominaisuuksiin ja erilaisiin verkonhallinnan apuohjelmiin. Työssä tutkittiin palvelin- ja asiakaskoneen välillä Ethernetissä kulkevaa verkkoliikennettä. Työssä minimoitiin protokollatiedostojen viemä tila prosessorin muistista ja tutkittiin Internet-yhteyden kuluttamien kellojaksojen määrää. Työssä selvitettiin tietoturva-kysymysten merkitystä ja toteutusta sulautetuissa järjestelmissä.