Industrial vSwitch in VMware Cloud Foundation 9

VMware Cloud Foundation (VCF) 9 bringt mit dem Industrial vSwitch (IvS) eine Netzwerklösung, die speziell für die Anforderungen der Industrieautomation entwickelt wurde. Während klassische virtuelle Switches wie vDS für allgemeine Workloads ausgelegt sind, legt IvS den Fokus auf niedrige Latenz, begrenzten Jitter und ein echtes Layer‑2‑Verhalten, wie es von Protokollen wie PROFINET gefordert wird. Der folgende Artikel erklärt, warum IvS nötig ist, wie virtuelle SPS (vPLCs) darin eingebunden werden und welche Rolle PROFINET dabei spielt.

Was ist eine SPS und warum ist Timing kritisch?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl. PLC) ist ein robuster Rechner, der Eingänge von Sensoren liest, ein Steuerprogramm ausführt und Ausgänge an Aktoren schreibt. Dieser Zyklus – häufig als Scan‑Zyklus bezeichnet – wiederholt sich in festen Intervallen, oft nur wenige Millisekunden. In einer Schweißzelle beispielsweise signalisiert ein Sensor das Ankommen einer Karosserie, die SPS stoppt das Förderband, schließt Spannvorrichtungen und gibt den Schweißrobotern den Startbefehl. Wenn das Eingangssignal zu spät eintrifft, arbeitet die SPS mit veralteten Daten; wenn das Ausgangssignal verzögert wird, reagiert die Maschine zu spät. Beide Fälle können dazu führen, dass die Zelle in einen sicheren Zustand wechselt und die Produktion stillsteht. Deshalb ist nicht nur die durchschnittliche Latenz relevant, sondern das schlimmste Verzögerungsverhalten (maxLatency) und der Jitter, also die Schwankung von Frame zu Frame.

Virtuelle SPS (vPLCs) und ihre Herausforderungen

Eine vPLC ist einfach die SPS‑Software, die als virtuelle Maschine auf einem ESXi‑Host läuft. Der Steuerungsalgorithmus bleibt unverändert; nur die Ausführungsumgebung verschiebt sich von einer dedizierten Hardware‑SPS auf einen gemeinsam genutzten Server. Diese Virtualisierung verspricht Vorteile wie schnellere Wiederherstellung nach Ausfällen, zentrales Management, konsistente Software‑Stacks und eine höhere Konsolidierungsrate (bis zu zwölf vPLCs pro Host). Gleichzeitig ergeben sich neue Probleme: Die vPLC muss ihre Steuerungszyklen zuverlässig einhalten, obwohl sie CPU‑Zeit mit anderen VMs teilt. Dazu wird das Latency‑Sensitivity‑Flag auf High gesetzt, damit der ESXi‑Scheduler die vPLC priorisiert. Auch das Netzwerk muss deterministisch arbeiten – jeder Switch, jede NIC und jeder Uplink kann sowohl Latenz als auch Jitter hinzufügen. Ein gewöhnlicher vDS kann diese Garantien nicht bieten, weil er für beste‑Effort‑Verkehr optimiert ist und keine Mechanismen zur Obergrenze der Latenz besitzt.

Wie PROFINET funktioniert und warum IvS nötig ist

PROFINET ist ein Industrie‑Ethernet‑Protokoll, das auf der Ethernet‑Schicht (Layer 2) aufbaut, aber eigene Mechanismen für Echtzeit‑Kommunikation definiert. Es unterscheidet zwischen:

Standard‑TCP/IP‑Traffic für Konfiguration, Diagnose und Parameterisierung – zeitlich nicht kritisch.
PROFINET RT (Real Time) für zyklische Prozessdaten. RT‑Frames tragen EtherType 0x8892, umgehen den klassischen TCP/IP‑Stack und werden unmittelbar über Ethernet gesendet. Damit muss Sender und Empfänger im selben Broadcast‑Domain liegen; ein Routing ist nicht möglich.
PROFINET IRT (Isochronous Real Time) für besonders anspruchsvolle Motion‑Control‑Anwendungen mit sub‑millisekündigen Zyklen und strenger Synchronisation. IRT erfordert hardwaresegmente Zeitfenster und Uhrensynchronisation an jedem Hop – etwas, das IvS derzeit nicht bietet.

Für die meisten Fabrikautomation‑Szenarien reicht PROFINET RT aus. Damit eine vPLC mit physischen I/O‑Modulen, Antrieben oder Robots kommunizieren kann, muss ihr virtueller Netzwerkanschluss ein verlässliches, latenz‑begrenztes Layer‑2‑Segment bieten. Genau das übernimmt der Industrial vSwitch: Er stellt jedem vPLC ein dediziertes VLAN‑Segment zur Verfügung, das sich über den physischen Switch bis zur Feldgeräte‑Erweiterung erstreckt. Innerhalb dieses Segments werden PROFINET‑RT‑Frames mit niedriger, möglichst konstanter Latenz weitergeleitet, während sonstiger Verkehr (z. B. Management‑Traffic) über die üblichen NSX‑Komponenten geleitet werden kann.

Zusammenfassung

Der Industrial vSwitch in VCF 9 schließt die Lücke zwischen der virtualisierten Rechenzentrumswelt und den harten Echtzeitanforderungen der Industrie. Durch die Kombination aus Latency‑Sensitivity‑Einstellung für vPLCs, dedizierten VLAN‑Segmenten und einem Switch, der Layer‑2‑PROFINET‑RT‑Frames mit begrenzter Jitter‑Variation weiterleitet, erhalten Unternehmen eine Plattform, auf der Steuerungssoftware als virtuelle Maschine genauso zuverlässig läuft wie auf dedizierter SPS‑Hardware. Für Anwendungen, die jedoch IRT erfordern, bleibt eine Abstimmung mit dem PLC‑Hersteller und einer Prüfung der IvS‑Fähigkeiten notwendig, da aktuelle IvS‑Implementierungen IRT‑Unterstützung noch nicht bieten.

Referenzen