WO2015058224A1 - Verfahren zur übertragung von nachrichten in einem computernetzwerk sowie computernetzwerk - Google Patents

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WO2015058224A1
WO2015058224A1 PCT/AT2014/050247 AT2014050247W WO2015058224A1 WO 2015058224 A1 WO2015058224 A1 WO 2015058224A1 AT 2014050247 W AT2014050247 W AT 2014050247W WO 2015058224 A1 WO2015058224 A1 WO 2015058224A1
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computer network
fault
containment units
messages
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Wilfried Steiner
Günther BAUER
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Fts Computertechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting messages in a computer network, wherein the computer network comprises computational nodes, which computational nodes are interconnected via at least one star coupler and / or at least one multi-hop network, each computational node via at least one communication line with the at least one star coupler and / or the at least one multi-hop network is connected, and wherein the computing nodes with each other and with the at least one star coupler and / or the at least one multi-hop network exchange Ethernet messages.
  • the invention relates to a computer network, in particular a distributed real-time computer network for the transmission of messages, wherein the computer network comprises computational nodes which arithmetic nodes are interconnected via at least one star coupler and / or at least one multi-hop network, each computational node via at least one communication line is connected to the at least one star coupler and / or the at least one multi-hop network, and wherein the computing nodes with each other and with the at least one star coupler and / or the at least one multi-hop network exchange Ethernet messages.
  • the computer network is a timed Ethernet computer network.
  • the present invention is in the field of computer technology. It describes an innovative process and supporting hardware to use an Ethernet network for safety-critical applications.
  • the invention is in the field of distributed real-time systems, such a real-time system consisting of two types of active components: compute nodes and star couplers.
  • Compute nodes perform functions such as measuring physical process properties using appropriate sensors, calculating manipulated variables, or activating actuators such as valves.
  • compute nodes are connected to other compute nodes and / or star couplers by means of bidirectional lines.
  • star couplers can also be connected to one another by bidirectional lines.
  • the exchange of information between components is message-oriented, and in the following description we assume that the information exchange uses Ethernet messages. Messages can have different identities and all messages with the same identity form a "message flow".
  • Real-time systems as described above are used, inter alia, in safety-critical systems, for example for controlling an aircraft. In such systems, it must be ensured that the network also works if individual components, ie computational nodes or star couplers, become faulty. This problem is referred to as fault tolerance in research and development.
  • This object is achieved with a method mentioned at the outset and with a computer network value mentioned in the introduction in that a) in a set of components which are selected from those components which are included in the computer network, which are computational nodes and / or star couplers and / or or multi-hop networks, wherein the set comprises two or more such components, those components of the set which are directly connected to each other, are each directly interconnected by two or more communication lines, and b) transmitting components of the set of components at least one Sending part of the Ethernet messages to be sent to at least two of the two or more communication lines, and c) receiving components of the set of components receiving at least a portion of the Ethernet messages received over the two or more communication lines. are only accepted and / or forwarded if at least two i-dente messages are received via at least two different communication lines.
  • the present invention describes how by suitable measures, in particular by using multiple redundant parts and their interconnection, an Ethernet network can be designed such that it can perform safety-critical tasks and the operability of the network is given even in case of error.
  • the amount of components may be e.g. However, this amount may also be from all components (in the form of computational nodes, star couplers, and / or multi-hop networks forming part of or forming part of the computer network), which may be of exactly two components, such as a star coupler and a compute node Computer network are formed.
  • the sending components of the quantity of components and / or the receiving components of the quantity of components each consist of two or more fault-containment units;
  • the fault containment units are selected such that different MAC layers are located in different fault containment units per component, whereby different MAC layers of a component are structurally identical;
  • the fault containment units are selected such that each MAC layer is assigned to exactly one of two fault containment units per component; • In the sending components of the quantity of components, the fault containment units are selected such that different PHY layers are located in different fault containment units per component;
  • the fault containment units are selected such that each PHY layer is assigned to exactly one of two fault-containment units per component;
  • the fault containment units are selected such that each MAC layer and / or PHY layer is assigned to exactly one of two fault-containment units;
  • a receiving component of the set of components forwards only one of the identical messages that the receiving component has received on the at least two different communication lines;
  • Ethernet messages are sent by the compute nodes in a time-controlled manner
  • the IEEE 802.1AS standard or a standard based on it or following is used to communicate in a timely manner
  • the IEEE 1588 standard or a standard based on it or subsequent, is used to communicate in a timely manner
  • the components of the set of components use the two or more communication lines at times when there is no same Ethernet message transmitted over two or more communication lines, for the transmission of different Ethernet messages;
  • a link aggregation method according to the standard IEEE 802.1AX or a standard based thereon or subsequent is used to send different messages over the two or more communication lines;
  • the amount of components includes only star couplers. i.e. two or more star couplers;
  • the error containment units are selected such that at least one computational node together with at least one star coupler form an error containment unit;
  • the error containment units are selected such that exactly one computational node together with exactly one star coupler each forms an error containment unit;
  • Each component of the set of components is a sending component, a receiving component or both a sending and a receiving component.
  • a central element of the invention is the appropriate choice of fault containment units and error containment units.
  • a fault-containment unit is defined during the development of a safety-critical system and classifies those parts of a system that are assumed to fail in the event of failure.
  • An example of a fault-containment unit is a computer chip.
  • a characteristic feature of a fault-containment unit is the failure mode.
  • the failure mode A fault-containment unit describes how the unit can behave in the event of a fault.
  • an example of a failure mode is fail-silent, which means that in the event of a failure, the computer chip stops generating signals at its outputs.
  • a pessimistic assumption is often made in safety-critical systems. For example, a pessimistic assumption of a failure mode is "arbitrarily flawed," which means that the computer chip can generate arbitrary signals on its interfaces.
  • An error containment unit is also defined during the development of a safety critical system and describes how fault containment units can be interconnected such that the failure mode of the error containment unit is less critical, i. is more benign than the failure mode of the fault-containment units, of which or which the error-containment unit consists.
  • An example of an error-containment unit consists of two fault-containment units (for example, two computer chips), whereby both fault-containment units can turn out to be faulty on their own. The error containment unit now interconnects the two fault containment units so that they monitor each other.
  • the present invention describes how, in an Ethernet-based network, fault containment and error containment are sensibly selected so that the distributed real-time system can be used in safety-critical applications. Furthermore, the invention describes how the fault-containment units can be interconnected with each other in a targeted manner.
  • an implementation of the invention will be described in which the Ethernet messages are timed, minimizing the implementation effort of the invention.
  • the so-called MAC (media access) layer and the so-called PHY (physical) layer are distinguished from one another.
  • the MAC layer is responsible for the preparation of the information to be sent and delivers the data via a standardized interface to the PHY layer, which then sends the messages over a communication line.
  • FIG. 1 shows an example of an Ethernet network which implements time-controlled communication in which computing nodes 101-105 are connected to a star coupler 201 by means of bi-directional communication lines 110,
  • FIG. 3 shows an example of an Ethernet network implementing timed communication in which compute nodes 101-105 are connected by redundant bi-directional communication lines 110, 120 to redundant star couplers 201, 202,
  • FIG. 4 shows an example of a communication between a computational node and a star coupler
  • FIG. 5 shows the network on FIG. 1 with partial use of bidirectional communication lines as shown in FIG. 4,
  • FIG. 4 shows an example of a communication between a computational node and a star coupler
  • FIG. 6 shows the network on FIG. 2 with partial use of bidirectional communication lines as shown in FIG. 4, FIG.
  • FIG. 7 shows an example of a communication between a computational node and a star coupler as well as internal details of the computational node and the star coupler
  • FIG. 8 shows an Ethernet network similar to that shown in FIG. 5, but with only four computation nodes, as well as internal details of the computation nodes and the star coupler according to FIG. 7, FIG.
  • FIG. 9 shows an Ethernet network similar to that shown in FIG. 6, but with only two arithmetic nodes and two star couplers, as well as internal details of the arithmetic nodes and the star coupler according to FIG. 7, FIG.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating timed communication
  • FIG. 11 is another exemplary flowchart.
  • FIG. 1 shows an example of an Ethernet network in which computing nodes 101 - 105 are connected to a star coupler 201 by means of bidirectional communication lines 110.
  • Compute nodes 101-105 exchange Ethernet messages with each other by sending them to star coupler 201, which forwards the messages to the appropriate receivers.
  • a star coupler 201 itself can also generate Ethernet messages and send them to compute nodes 101-105.
  • FIG. 2 It is shown in FIG. 2 that several star couplers 201 can also be connected to one another and that computing nodes 101 - 105 are connected only to a subset of these star couplers 203, 205, 207. The communication between two computational nodes can then also take place via two or more star couplers 203, 205, 207.
  • Such network structures are called multi-hop networks 1000.
  • the following description does not explicitly address multi-hop networks, but it is well known in the art that individual star couplers 201 (FIG. 1) may be replaced by a multi-hop network 1000 (FIG. 2).
  • FIG. 3 shows an example of an Ethernet network in which computing nodes 101 - 105 are connected by means of redundant bi-directional communication lines 110, 120 to redundant star couplers 201, 202.
  • Compute nodes can now communicate with each other, also simultaneously, via both star couplers 201, 202. This means that the redundancy in this network tolerates the failure of individual components. For example, if compute node 101 wishes to communicate with compute node 102, it may send messages to both star coupler 201 and star coupler 202. In the error-free case, both star couplers 201 and 202 then forward the messages to the computing node 102. However, if one of the two star couplers 201 or 202 is faulty, then it is guaranteed in any case that the respective non-faulty star coupler 201 or 202 reliably forwards the messages of the computing node 101 to the computing node 202.
  • FIG. 4 shows, using the example of the communication between computation node 101 and star coupler 201, that computation nodes 101 - 105 and star couplers 201, 202 can also be connected directly to a plurality of bidirectional communication lines 110, 111. Accordingly, FIGS. 5 and 6 show that all or only part of the active components 101 - 105, 201, 203, 205, 207 can be connected by means of a plurality of bidirectional communication lines 110, 111.
  • FIG. 7 shows, on the example of the communication between computation node 101 and star coupler 201, internal details of the transmitter, in this case computation node 101, and of the receiver, in this case star coupler 201, of Ethernet messages.
  • the communication layers APP, MAC and PHY are shown both in computing nodes 101 and star couplers 201, the APP layer being optional. In addition, the layers are duplicated both in the transmitter and in the receiver (top and bottom). If an application wants to send a message from compute node 101 to star coupler 201, one of the APP layers (or both APP layers) in compute node 101 sends the data to the MAC layer via interface A101 and this in turn to the PHY layer via the Interface B101.
  • the PHY layers in the transmitter 101 generate Ethernet messages that are sent to one or both communication lines 110, 111.
  • one or more PHY layers receive the Ethernet message or messages and forward them via the interfaces B201 and A201 to the MAC and the APP layers.
  • optional dependencies C101, D101, E101, C201, D201, E201 between the layers above and below are shown both in the transmitter 101 and in the receiver 201.
  • the optional dependency C101 describes an information exchange between the top and bottom APP layer.
  • the optional dependency C101 can lead to a change of the data on the interfaces A101.
  • both APP layers (bottom and top) in the transmitter 101 can execute the same application, which leads to the same data being generated on the interface A101 (top and bottom) in the error-free case.
  • the dependency C101 can now be used by both APP layers in the transmitter 101 to check whether both APP layers (bottom and top) really generate the same data on the interface A101. In the event of an error, it may be that the APP layers generate different data on interface A101.
  • the information exchange of the dependency C101 thus informs the two APP layers in the transmitter 101 of any differences on the interface A101 (below and above).
  • Each APP layer can now take appropriate action to change the data on interface A101. These measures can even lead to the extent that, in the case of detection of inconsistency in one of the APP layers (bottom or top), the detecting APP can also change the data on the interface A101 of the other APP. This can be done, for example, by switching off, i. e.g. by disconnecting from the power supply of the transmitter 101, both APP layers (top and bottom) in this regard can send a command to the power supply.
  • the MAC layer (bottom and top) can also implement a dependency D101, with corresponding information exchange between the MAC layer below and above and potential modification of the data at interface B101 below and above.
  • the PHY layer (bottom and top) can also implement a dependency E101, with corresponding exchange of information between the PHY layer below and above and potential Change the data sent as Ethernet messages over the communication lines 101 and 111.
  • the optional dependency E201 describes an exchange of information between the PHY layer above and below.
  • the optional dependency E201 can lead to a change in the data on the interfaces B201.
  • both PHY layers (bottom and top) in receiver 201 may receive the same Ethernet messages from communication lines 110 and 111, resulting in the same data being generated at interface B201 (top and bottom) in the error-free case.
  • the E201 dependency can now be used by both PHY layers in the receiver 201 to verify that both PHY layers (bottom and top) really receive the same data from the communication lines 110 and 111. In the event of an error, it may be that the PHY layers receive different data from the communication lines 110 and 111.
  • the information exchange of the dependency E201 thus informs the two PHY layers in the receiver 201 of any differences on the communication lines 110 and 111 (below and above).
  • Each PHY layer can now take appropriate action to change the data on interface B201.
  • the two PHY layers (bottom and top) in the receiver 201 may not forward those data corresponding to the Ethernet messages to the interfaces B201 and thus another ensure a consistent view of interface B201 to the top and bottom MAC layers.
  • the dependency D201 can be realized, which analogously to the dependency E201 represents the exchange of information and potential change of the data at the interface A201 of the two MAC layers (below and above) in the receiver 201. If the dependency E201 is not implemented, then the MAC layer (bottom and top) can recognize via the dependency D201 if different Ethernet frames are received on the communication lines 110, 111. In this case, the MAC layers (bottom and top) can prevent the forwarding of the data corresponding to the Ethernet frames at the interface A201 and thus ensure a consistent view in the forwarding of the data.
  • the APP layers can recognize via the dependency C201 whether both APP layers have received the same data via the interface A201 and, for example, decide that the data is only used if the data is identical.
  • FIG. 7 further shows, for example, fault-containment units FCE101A, FCE101B, FCE201A, FCE201B.
  • the system design assumes that transmitter 101 and receiver 201 each implement at least two fault-containment units and at least the two MAC and PHY layers (top and bottom) both in transmitter 101 and in receiver 201 in different fault-containment units are placed.
  • Fig. 7 thus form both the transmitter 101 and the receiver 201 in each case an error containment unit.
  • FIG. 8 shows by way of example an Ethernet network similar to that shown in FIG. 5, but with only four compute nodes 101-104. Furthermore, internal details of the computational nodes 101-104 and the star coupler 201 corresponding to FIG. 7 are shown.
  • the star coupler 201 implements multiple PHY layers PHY1-PHY8 and multiple MAC layers MAC1-MAC8. Ethernet frames of the compute nodes are received by the PHY layers from the communication lines 110, 111 and transmitted via the interfaces B201 to the MAC layers MAC1-MAC8.
  • the MAC layers MAC1-MAC8 then forward the data to one another according to defined forwarding rules F201.
  • one, two or more central memory administrations can be used as well as local memory administrations at the respective MAC layers MAC1-MAC8.
  • FIG. 8 also shows four computation nodes 101 - 104, which are connected to the star coupler 201 via two communication lines 110, 111 in each case. For each of the four computational nodes 101-104, a part of the internal structure is also shown as described in FIG. that is,
  • the compute nodes may implement the dependencies C101-C104, D101-D104, E101-E104, which decide whether data will ultimately be sent in the form of Ethernet messages to the communication lines 110 and 111;
  • the compute nodes may implement dependencies C101-C104, D101-D104, E101-E104, which decide whether to use data in the PHY, MAC, and / or APP layers or discarded.
  • FIG. 8 also shows fault containment units FCE101A, FCE101B, FCE102A, FCE102B, FCE103A, FCE103B, FCE104A, FCE104B, FCE201A, FCE201B.
  • the computing nodes 101-104 and the star coupler 201 each form an error containment unit individually.
  • FIG. 9 exemplarily shows an Ethernet network similar to that shown in FIG. 6, but with only two computation nodes 101, 105 and two star couplers 203, 205. Furthermore, internal details of the computation nodes 101, 105 and the star couplers 203, 205 are shown.
  • the computing nodes 101, 105 are connected via exactly one communication line 110 with the star couplers 203, 205.
  • the star couplers 203 and 205 are interconnected by two communication lines 110, 111.
  • Compute node 101 defines three fault-containment units FCE101A, FCE101B, FCE101C, compute node 105 a fault-containment unit FCE105A.
  • Star coupler 203 defines five fault-containment units FCE203A-FCE203E.
  • Star coupler 205 also defines five fault-containment units FCE205A-FCE205E. This special way of defining fault-containment units and connecting compute nodes to star couplers has several features that are beneficial for using Ethernet in safety-critical applications: a) The multiple communication lines 110, 111 need only be used between the star couplers 203, 205, which significantly reduces the overall cost of the system, since communication lines 111 can be saved.
  • the arbitrary failure of one of the PHY layers in the compute node means that the error can be unambiguously assigned to a compute node (or the PHY layer in the star coupler to which the compute node is directly connected).
  • the arbitrary failure of a PHY layer in one of the star couplers means that in the worst case the star coupler forwards the Ethernet messages of a computational node, namely precisely if that PHY layer becomes faulty, to which of the compute nodes is directly connected.
  • FIG. 10 shows an example with reference to a flowchart illustrating time-controlled communication.
  • the computing nodes 101 and 102 as shown in Fig. 1, timed messages 1101 and 1102 via the star coupler 201 to the computing node 105.
  • the peculiarity of a timed communication is that the transmission times 1401, 1402 and / or Stamm management times 1403, 1404 of the timed messages are already known before the message is sent.
  • the transmission times 1401, 1402 and / or the forwarding times 1403, 1404 may, for example, already be determined during the design of the distributed real-time system.
  • the determination of the transmission times, forwarding times, reception times or a subset thereof is referred to as the communication schedule.
  • FIG. 11 shows a further example with reference to a flow chart which illustrates time-controlled communication.
  • a transmission time 1501, 1502 and a transmission time 1503, 1504 are respectively assigned to groups 1601, 1602 of time-controlled messages.
  • the assignment of messages to groups 1601, 1602 persists.
  • the star coupler 201 could also implement only the forwarding time 1503 and, when the forwarding time 1503 is reached, forward all messages of the groups 1601 and 1602.
  • the assignment of message to a group per computational node and star coupler can arbitrarily redesign. For an implementation of the invention, it may be helpful if the communication of the Ethernet frames via the communication lines 110, 111 is timed.
  • a receiver eg, star coupler 201 which now receives time-controlled messages via the communication lines 110, 111 can assume that the associated messages are received by the communication lines 110, 111 in close temporal distance from one another. Accordingly, the dependencies between the PHY layers (eg, E201) or the MAC layers (eg, D201) or the APP layers (eg, C201) can quickly decide whether the related Ethernet messages are identical or not.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Nachrichten in einem Computernetzwerk sowie ein solches Computernetzwerk. Das Computernetzwerk umfasst Rechenknoten (101-105), welche Rechenkoten (101-105) über zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk (1000) miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten (101-105) über zumindest eine Kommunikationsleitung (110) mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) verbunden ist, und wobei die Rechenknoten (101-105) untereinander und mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) Ethernet-Nachrichten austauschen. Es ist vorgesehen, dass eine Menge von zwei oder mehreren Komponenten jeweils durch zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) direkt miteinander verbunden sind, wobei jede Komponente der Menge entweder ein Rechenknoten (101 - 105) oder ein Sternkoppler (201) ist, und sendende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der zu versendenden Ethernet Nachrichten an zumindest zwei der zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen (110, 111) versendet, und empfangende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der Ethernet Nachrichten, die über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) empfangen werden, nur dann akzeptiert und/ oder weiterleitet, wenn zumindest zwei idente Nachrichten über zumindest zwei unterschiedliche Kommunikationsleitungen empfangen werden.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERTRAGUNG VON NACHRICHTEN IN EINEM
COMPUTERNETZWERK SOWIE COMPUTERNETZWERK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Nachrichten in einem Computernetzwerk, wobei das Computernetzwerk Rechenknoten umfasst, welche Rechenkoten über zumindest einen Sternkoppler und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten über zumindest eine Kommunikationsleitung mit dem zumindest einen Sternkoppler und/oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk verbunden ist, und wobei die Rechenknoten untereinander und mit dem zumindest einen Sternkoppler und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk Ethernet- Nachrichten austauschen.
Weiters betrifft die Erfindung ein Computernetzwerk, insbesondere ein verteiltes Echtzeit- Computernetzwerk zur Übertragung von Nachrichten, wobei das Computernetzwerk Rechenknoten umfasst, welche Rechenkoten über zumindest einen Sternkoppler und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten über zumindest eine Kommunikationsleitung mit dem zumindest einen Sternkoppler und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk verbunden ist, und wobei die Rechenknoten untereinander und mit dem zumindest einen Sternkoppler und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk Ethernet-Nachrichten austauschen.
Bei dem Computernetzwerk handelt es sich beispielsweise um ein zeitgesteuertes Ethernet- Computernetzwerk.
Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich der Computertechnik. Sie beschreibt ein innovatives Verfahren und unterstützende Hardware, um ein Ethernet Netzwerk für sicherheitskritische Anwendungen zu verwenden.
Insbesondere liegt die Erfindung im Bereich verteilter Echtzeitsysteme, wobei ein solches Echtzeitsystem aus zwei Arten von aktiven Komponenten besteht: Rechenknoten und Sternkopplern. Rechenknoten exekutieren Funktionen wie zum Beispiel, das Messen von Eigenschaften physikalischer Prozesse mittels geeigneter Sensorik, die Berechnung von Stellgrößen oder die Aktivierung von Aktuatoren, wie zum Beispiel Ventilen. Rechenknoten sind mit anderen Rechenknoten und/ oder Sternkopplern mittels bidirektionaler Leitungen verbunden. Des Weiteren können auch Sternkoppler durch bidirektionale Leitungen miteinander verbunden sein. Der Informationsaustausch zwischen Komponenten funktioniert Nachrichten-orientiert, und in der folgenden Beschreibung gehen wir davon aus, dass der Informationsaustausch Ethernet Nachrichten verwendet. Nachrichten können unterschiedliche Identitäten haben und alle Nachrichten mit der gleichen Identität bilden einen„Nachrichten Fluss".
Echtzeitsysteme wie oben beschrieben finden unter anderem Anwendung in sicherheitskritischen Systemen wie zum Beispiel zur Steuerung eines Flugzeugs. In solchen Systemen muss sichergestellt werden, dass das Netzwerk auch funktioniert, wenn einzelne Komponenten, also Rechenknoten oder Sternkoppler fehlerhaft werden. Diese Problematik wird im For- schungs- und Entwicklungsbereich als Fehlertoleranz bezeichnet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung dafür anzugeben, wie ein Ethernet-Netzwerk sicherheitskritische Aufgaben erfüllen kann und die Operabilität des Netzwerkes auch im Fehlerfall gegeben ist.
Diese Aufgabe wird mit einem eingangs genannten Verfahren sowie mit einem eingangs erwähnten Computernetzwert dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß a) in einer Menge von Komponenten, welche ausgewählt sind aus jenen Komponenten, welche von dem Computernetzwerk umfasst sind, das sind Rechenknoten und/ oder Sternkoppler und/ oder Multi-Hop-Netzwerke, wobei die Menge zwei oder mehr solcher Komponenten umfasst, jene Komponenten der Menge, welche direkt miteinander verbunden sind, jeweils durch zwei oder mehr Kommunikationsleitungen direkt miteinander verbunden sind, und b) sendende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der zu versendenden Ethernet Nachrichten an zumindest zwei der zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen versendet, und c) empfangende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der Ethernet Nachrichten, die über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen emp- fangen werden, nur dann akzeptiert und/ oder weiterleitet, wenn zumindest zwei i- dente Nachrichten über zumindest zwei unterschiedliche Kommunikationsleitungen empfangen werden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie durch geeignete Maßnahmen, im Speziellen durch Verwendung mehrere redundanter Teile und deren Verschaltung, ein Ethernet Netzwerk derart ausgelegt werden kann, dass es sicherheitskritisch Aufgaben erfüllen kann und die Operabilität des Netzwerks auch im Fehlerfall gegeben ist.
Bei der Menge an Komponenten kann es sich z.B. um genau zwei Komponenten, etwa einen Sternkoppler und einen Rechenknoten handeln, es kann diese Menge aber auch von allen Komponenten (in Form von Rechenknoten, Sternkopplern und/ oder Multi-Hop Netzwerken, welche Bestandteil des Computernetzwerkes sind oder dieses bilden), welche von dem Computernetzwerk umfasst sind, gebildet sein.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Computernetzwerkes, welche für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander realisiert sein können, sind im Folgenden beschrieben:
• die sendenden Komponenten der Menge an Komponenten und/ oder die empfangende Komponenten der Menge an Komponenten bestehen jeweils aus zwei oder mehreren fault-containment Einheiten;
• in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten sind die fault-containment Einheiten derart gewählt, dass sich je Komponente unterschiedliche MAC Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden, wobei unterschiedliche MAC Schichten einer Komponente strukturell identisch sind;
• in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der zumindest einen Menge an Komponenten sind die fault-containment Einheiten derart gewählt, dass je Komponente jede MAC Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist; • in den sendenden Komponenten der Menge an Komponenten sind die fault- containment Einheiten derart gewählt, dass sich je Komponente unterschiedliche PHY Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden;
• in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten sind die fault-containment Einheiten derart gewählt, dass je Komponente jede PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen wird;
• in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten sind die fault-containment Einheiten derart gewählt, dass jede MAC Schicht und/ oder PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist;
• eine empfangende Komponente der Menge an Komponenten leitet nur eine der iden- ten Nachrichten, welche die empfangende Komponente an den zumindest zwei unterschiedlichen Kommunikationsleitungen empfangen hat, weiter;
• zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten, gegebenenfalls auch alle, zeitgesteuert von den Rechenknoten versendet wird;
• zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten wird zeitgesteuert von den Sternkopplern weitergeleitet;
• der SAE AS602 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard wird verwendet, um zeitgesteuert zu kommunizieren;
• der IEEE 802.1AS Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard wird verwendet, um zeitgesteuert zu kommunizieren;
• der IEEE 1588 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard wird verwendet, um zeitgesteuert zu kommunizieren;
• die Komponenten der Menge an Komponenten verwenden die zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen zu Zeitpunkten, zu denen keine gleichen Ethernet Nachrich- ten über zwei oder mehrere Kommunikationsleitungen übertragen werden, für die Übertragung von unterschiedlichen Ethernet Nachrichten;
• ein Link Aggregation Verfahren laut dem Standard IEEE 802.1AX oder einem darauf aufbauenden oder nachfolgenden Standard wird verwendet, um unterschiedliche Nachrichten über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen zu versenden;
• die Menge an Komponenten beinhaltet ausschließlich Sternkoppler,. d.h. zwei oder mehrere Sternkoppler;
• die error-containment Einheiten sind derart gewählt, dass jede Komponente für sich eine error-containment Einheit bildet;
• die error-containment Einheiten sind derart gewählt, dass jeder Sternkoppler eine error-containment Einheit bildet;
• die error-containment Einheiten sind derart gewählt, dass zumindest ein Rechenknoten gemeinsam mit jeweils zumindest einem Sternkoppler eine error-containment Einheit bilden;
• die error-containment Einheiten sind derart gewählt, dass jeweils genau ein Rechenknoten gemeinsam mit genau einem Sternkoppler je eine error-containment Einheit bildet;
• jede Komponente der Menge an Komponenten ist eine sendende Komponente, eine empfangende Komponente oder sowohl eine sendende als auch eine empfangende Komponente.
Ein zentrales Element der Erfindung ist die geeignete Wahl von„fault-containment" Einheiten und„error-containment" Einheiten. Eine fault-containment Einheit wird während der Entwicklung eines sicherheitskritischen Systems festgelegt und klassifiziert jene Teile eines Systems, von welchen im Falle eines Fehlers angenommen wird, dass sie zur Gänze ausfallen. Ein Beispiel einer fault-containment Einheit ist ein Computerchip. Eine charakterisierende Eigenschaft einer fault-containment Einheit ist der Ausfallsmodus. Der Ausfallsmodus einer fault-containment Einheit beschreibt, wie sich die Einheit im Fehlerfall verhalten kann. Im Fall des Computerchips ist ein Beispiel eines Ausfallmodus: fail-silent, was bedeutet, dass der Computerchip im Fehlerfall keine Signale mehr an seinen Outputs generiert. Da eine genaue Beschreibung des Ausfallmodus schwierig ist wird in sicherheits-kritischen Systemen oft eine pessimistische Annahme getroffen. Eine pessimistische Annahme eines Ausfallmodus ist zum Beispiel„beliebig fehlerhaft" , was bedeutet, dass der Computerchip an seinen Interfaces beliebige Signale generieren kann.
Eine error-containment Einheit wird ebenfalls während der Entwicklung eines sicherheitskritischen Systems festgelegt und beschreibt, wie fault-containment Einheiten derart verschaltet werden können, dass der Ausfallsmodus der error-containment Einheit weniger kritisch, d.h. gutartiger ist als der Ausfallsmodus der fault-containment Einheiten, aus welcher oder welchen die error-containment Einheit besteht. Ein Beispiel einer error-containment Einheit besteht aus zwei fault-containment Einheiten (zum Beispiel zwei Computerchips), wobei beide fault-containment Einheiten für sich beliebig fehlerhaft ausfallen können. Die error- containment Einheit verschaltet nun die beiden fault-containment Einheiten derart, sodass sie sich gegenseitig überwachen. Wird eine der fault-containment Einheiten fehlerhaft und beginnt, fehlerhafte Signale zu generieren, so erkennt dies die jeweils andere fault- containment Einheit und schaltet sowohl die fehlerhafte (fault-containment) Einheit als auch sich selbst ab (zum Beispiel über eine gemeinsame Stromversorgung). Aus diesem Verhalten der fault-containment Einheiten resultiert ein gutartiger Ausfallsmodus der error- containment Einheit, nämlich fail-silent. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass eine der Grundannahmen, die beim Design von error-containment Einheiten getroffen werden muss, die Annahme ausreichend unabhängigen Ausfalls von fault-containment Einheiten ist. In obigem Beispiel wird z.B. davon ausgegangen, dass zu jedem Zeitpunkt nur jeweils eine der fault-containment Einheiten fehlerhaft wird.
Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie in einem Ethernet-basierten Netzwerk fault- containment und error-containment sinnvoll gewählt werden, sodass das verteilte Echtzeitsystem in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden kann. Weiters beschreibt die Erfindung, wie die fault-containment Einheiten zielführend miteinander verschaltet werden können. Außerdem wird eine Realisierung der Erfindung beschrieben, in der die Ethernet Nachrichten zeitgesteuert verschickt werden, wodurch der Implementierungsaufwand der Erfindung minimal gehalten wird. In einem Ethernet Netzwerk werden die sogenannte MAC (media access) Schicht und die sogenannte PHY (physical) Schicht voneinander unterschieden. Beim Versenden von Ethernet Nachrichten ist die MAC Schicht für die Aufbereitung der zu verschickenden Information zuständig und liefert die Daten über ein standardisiertes Interface an die PHY Schicht, welche die Nachrichten dann über eine Kommunikationsleitung versendet. Diese standardisierten Interfaces sind zum Beispiel„MII" für 100 Mbit/Sec Ethernet oder„GMII" für 1 Gbit/Sec Ethernet. Beim Empfang bekommt der PHY die Daten von der Kommunikationsleitung und bereitet sie dem Interface konform auf und übergibt die Daten an die MAC Schicht. Die MAC Schicht bekommt und liefert die Daten entweder von/ zu einer übergeordneten Applikationsschicht (APP) oder von/ zu Funktionen, die direkt in der MAC Schicht implementiert sind. In der Praxis können sowohl jede dieser Schichten (APP, MAC, PHY) in einem eigenen Computerchip realisiert werden als auch mehrere Schichten in einem gemeinsamen Computerchip realisiert werden. Da typischerweise ein Computerchip als fault- containment Einheit angenommen wird, ergibt sich aus der getrennten oder gemeinsamen Realisierung der Schichten in einem Computerchip, dass eine oder mehrere Schichten für sich eine fault-containment Einheit bilden.
Im Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung an Hand einer beispielhaften Realisierung näher erörtert. Es zeigt
Fig. 1 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, in dem Rechenknoten 101-105 mittels bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110 mit einem Sternkoppler 201 verbunden sind,
Fig. 2 ein weiteres Beispiel eines Ethernet Netzwerkes,
Fig. 3 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, in dem Rechenknoten 101-105 mittels redundanten bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110, 120 mit redundanten Sternkopplern 201, 202 verbunden sind,
Fig. 4 ein Beispiel einer Kommunikation zwischen einem Rechenknoten und einem Sternkoppler dargestellt, Fig. 5 das Netzwerk auf Figur 1 unter teilweiser Verwendung von bidirektionalen Kommunikationsleitungen wie in Figur 4 dargestellt,
Fig. 6 das Netzwerk auf Figur 2 unter teilweiser Verwendung von bidirektionalen Kommunikationsleitungen wie in Figur 4 dargestellt,
Fig. 7 ein Beispiel einer Kommunikation zwischen einem Rechenknoten und einem Sternkoppler sowie interne Details des Rechenknotens und des Sternkopplers,
Fig. 8 ein Ethernet Netzwerk ähnlich dem in Figur 5 dargestellten, allerdings mit lediglich vier Rechenknoten, sowie interne Details der Rechenknoten und des Sternkopplers entsprechend Figur 7,
Fig. 9 ein Ethernet Netzwerk ähnlich dem in Figur 6 dargestellten, allerdings mit lediglich zwei Rechenknoten und zwei Sternkopplern, sowie interne Details der Rechenknoten und der Sternkoppler entsprechend Figur 7,
Fig. 10 ein Flussdiagramm, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert, und Fig. 11 ein weiteres beispielhaftes Flussdiagramm.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, in dem Rechenknoten 101 - 105 mittels bidirektionaler Kommunikationsleitungen 110 mit einem Sternkoppler 201 verbunden sind. Die Rechenknoten 101 - 105 tauschen Ethernet Nachrichten miteinander aus, indem sie diese an den Sternkoppler 201 schicken, und dieser die Nachrichten an die entsprechenden Empfänger weiterleitet. Des Weiteren kann ein Sternkoppler 201 auch selbst Ethernet Nachrichten generieren und an Rechenknoten 101 - 105 versenden.
In Fig. 2 dargestellt ist, dass auch mehrere Sternkoppler 201 miteinander verbunden werden können und Rechenknoten 101 - 105 nur mit einer Teilmenge dieser Sternkoppler 203, 205, 207 verbunden wird. Die Kommunikation zwischen zwei Rechenknoten kann dann auch über zwei oder mehr Sternkoppler 203, 205, 207 erfolgen. Solche Netzwerkstrukturen werden Multi-Hop Netzwerke 1000 genannt. In der folgenden Beschreibung wird nicht explizit auf Multi-Hop Netzwerke eingegangen, es ist aber Stand der Technik, dass einzelne Sternkoppler 201 (Fig. 1) durch ein Multi-Hop Netzwerk 1000 ersetzt werden können (Fig. 2). In Fig. 3 ist ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks dargestellt, in dem Rechenknoten 101 - 105 mittels redundanter bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110, 120 mit redundanten Sternkopplern 201, 202 verbunden sind. Rechenknoten können nun über beide Sternkoppler 201, 202 miteinander, auch gleichzeitig, kommunizieren. Das heißt, dass die Redundanz in diesem Netzwerk den Ausfall einzelner Komponenten toleriert. Wenn zum Beispiel Rechenknoten 101 mit Rechenknoten 102 kommunizieren möchte so kann er Nachrichten sowohl an den Sternkoppler 201 als auch an den Sternkoppler 202 schicken. Im fehlerfreien Fall leiten dann beide Sternkoppler 201 und 202 die Nachrichten an den Rechenknoten 102 weiter. Wird jedoch einer der beiden Sternkoppler 201 oder 202 fehlerhaft, so ist jedenfalls garantiert, dass der jeweils nicht fehlerhafte Sternkoppler 201 oder 202 die Nachrichten des Rechenknoten 101 zuverlässig an den Rechenknoten 202 weiterleitet.
In Fig. 4 ist am Beispiel der Kommunikation zwischen Rechenknoten 101 und Sternkoppler 201 dargestellt, dass Rechenknoten 101 - 105 und Sternkoppler 201, 202 auch direkt mit mehreren bidirektionalen Kommunikationsleitungen 110,111 verbunden sein können. Fig. 5 und Fig. 6 zeigen dementsprechend, dass alle oder nur ein Teil der aktiven Komponenten 101 - 105, 201, 203, 205, 207 mittels mehrerer bidirektionaler Kommunikationsleitungen 110,111 verbunden sein können.
Fig. 7 zeigt am Beispiel der Kommunikation zwischen Rechenknoten 101 und Sternkoppler 201 interne Details des Senders, in diesem Fall Rechenknoten 101, und des Empfängers, in diesem Fall Sternkoppler 201, von Ethernet Nachrichten. Es sind sowohl in Rechenknoten 101 und Sternkoppler 201 die Kommunikationsschichten APP, MAC und PHY dargestellt, wobei die APP Schicht optional ist. Darüberhinausgehend sind die Schichten sowohl im Sender als auch im Empfänger doppelt dargestellt (oben und unten). Will eine Applikation eine Nachricht von Rechenknoten 101 an den Sternkoppler 201 versenden, so schickt die eine der APP Schichten (oder beide APP Schichten) im Rechenknoten 101 die Daten an die MAC Schicht über das Interface A101 und diese wiederum an die PHY Schicht, über das Interface B101. Die PHY Schichten im Sender 101 generieren Ethernet Nachrichten die an eine oder beide Kommunikationsleitungen 110, 111 versendet werden. Im Empfänger 201 nimmt eine oder mehrere PHY Schichten die Ethernet Nachricht oder Nachrichten entgegen und leiteten diese über die Interfaces B201 und A201 an die MAC und die APP Schichten weiter. In Fig. 7 sind des Weiteren sowohl im Sender 101 als auch im Empfänger 201 optionale Abhängigkeiten C101, D101, E101, C201, D201, E201 zwischen den Schichten oben und unten eingezeichnet.
Im Sender 101 beschreibt die optionale Abhängigkeit C101 einen Informationsaustausch zwischen der APP Schicht oben und unten. Die optionale Abhängigkeit C101 kann zu einer Veränderung der Daten an den Interfaces A101 führen. Zum Beispiel können beide APP Schichten (unten und oben) im Sender 101 die gleiche Applikation ausführen, was dazu führt, dass im fehlerfreien Fall die gleichen Daten am Interface A101 (oben und unten) generiert werden. Die Abhängigkeit C101 kann jetzt von beiden APP Schichten im Sender 101 verwendet werden, um zu überprüfen, ob auch wirklich beide APP Schichten (unten und oben) die gleichen Daten am Interface A101 generieren. Im Fehlerfall kann es sein, dass die APP Schichten unterschiedliche Daten am Interface A101 generieren. Der Informationsaustausch der Abhängigkeit C101 informiert also die beiden APP Schichten im Sender 101 von etwaigen Unterschieden am Interface A101 (unten und oben). Jede APP Schicht für sich kann jetzt geeignete Maßnahmen treffen um die Daten am Interface A101 zu verändern. Diese Maßnahmen können sogar soweit führen, dass im Falle der Detektion von Inkonsis- tenz in einer der APP Schichten (unten oder oben) die detektierende APP auch die Daten am Interface A101 der jeweils anderen APP verändern kann. Dies kann zum Beispiel durch ein Abschalten, d.h. z.B. durch Trennung von der Stromversorgung des Senders 101 erfolgen, wobei beide APP Schichten (oben und unten) diesbezüglich ein Kommando an die Stromversorgung schicken können.
Analog zur Abhängigkeit C101 (Informationsaustausch und potentielle Änderung der Daten am Interface A101 unten und oben) der APP Schichten unten und oben im Sender 101 kann auch die MAC Schicht (unten und oben) eine Abhängigkeit D101 realisieren, mit entsprechendem Informationsaustausch zwischen der MAC Schicht unten und oben und potentieller Änderung der Daten am Interface B101 unten und oben.
Analog zur Abhängigkeit C101 (Informationsaustausch und potentielle Änderung der Daten am Interface A101 unten und oben) der APP Schichten unten und oben im Sender 101 kann auch die PHY Schicht (unten und oben) eine Abhängigkeit E101 realisieren, mit entsprechendem Informationsaustausch zwischen der PHY Schicht unten und oben und potentieller Änderung der Daten, die als Ethernet Nachrichten über die Kommunikationsleitungen 101 und 111 versendet werden.
Im Empfänger 201 beschreibt die optionale Abhängigkeit E201 einen Informationsaustausch zwischen der PHY Schicht oben und unten. Die optionale Abhängigkeit E201 kann zu einer Veränderung der Daten an den Interfaces B201 führen. Zum Beispiel können beide PHY Schichten (unten und oben) im Empfänger 201 die gleichen Ethernet Nachrichten von den Kommunikationsleitungen 110 und 111 empfangen, was dazu führt, dass im fehlerfreien Fall die gleichen Daten am Interface B201 (oben und unten) generiert werden. Die Abhängigkeit E201 kann jetzt von beiden PHY Schichten im Empfänger 201 verwendet werden, um zu überprüfen, ob auch wirklich beide PHY Schichten (unten und oben) die gleichen Daten von den Kommunikationsleitungen 110 und 111 empfangen. Im Fehlerfall kann es sein, dass die PHY Schichten unterschiedliche Daten von den Kommunikationsleitungen 110 und 111 empfangen. Der Informationsaustausch der Abhängigkeit E201 informiert also die beiden PHY Schichten im Empfänger 201 von etwaigen Unterschieden an den Kommunikationsleitungen 110 und 111 (unten und oben). Jede PHY Schicht für sich kann jetzt geeignete Maßnahmen treffen, um die Daten am Interface B201 zu verändern. Zum Beispiel können die beiden PHY Schichten (unten und oben) im Empfänger 201 bei Inkonsistenz der Ethernet Nachrichten, die von den Kommunikationsleitungen 110 und 111 empfangen wurden, jene Daten, die den Ethernet Nachrichten entsprechen, nicht an die Interfaces B201 weiterleiten und damit wieder eine konsistente Sicht am Interface B201 zu den MAC Schichten oben und unten gewährleisten.
Alternativ oder zusätzlich zur Abhängigkeit E201 kann die Abhängigkeit D201 realisiert werden, die analog zur Abhängigkeit E201 den Informationsaustausch und potentielle Veränderung der Daten am Interface A201 der beiden MAC Schichten (unten und oben) im Empfänger 201 darstellt. Wird die Abhängigkeit E201 nicht implementiert, so kann die MAC Schicht (unten und oben) über die Abhängigkeit D201 erkennen, wenn an den Kommunikationsleitungen 110, 111 unterschiedliche Ethernet Frames empfangen werden. In diesem Fall können die MAC Schichten (unten und oben) die Weiterleitung der Daten, die den Ethernet Frames entsprechen, am Interface A201 unterbinden und damit eine konsistente Sicht in der Weiterleitung der Daten sicherstellen. Alternativ oder zusätzlich zu den Abhängigkeiten E201 und D201 kann auch eine Abhängigkeit C201 zwischen den APP Schichten (unten und oben) analog zu den Abhängigkeiten E201 und D201 realisiert werden. D.h., die APP Schichten können über die Abhängigkeit C201 erkennen, ob beide APP Schichten die gleichen Daten über das Interface A201 empfangen haben und zum Beispiel entscheiden, dass die Daten nur verwendet werden, wenn die Daten ident sind.
In Fig. 7 sind des Weiteren beispielsweise fault-containment Einheiten FCE101A, FCE101B, FCE201A, FCE201B dargestellt. Beim Systemdesign wird davon ausgegangen, dass der Sender 101 und der Empfänger 201 jeweils zumindest zwei fault-containment Einheiten implementieren und zumindest die beiden MAC und PHY Schichten (oben und unten) sowohl in Sender 101 als auch in Empfänger 201 in unterschiedlichen fault-containment Einheiten platziert sind.
In Fig. 7 bilden somit sowohl der Sender 101 als auch der Empfänger 201 jeweils für sich eine error-containment Einheit.
In Fig. 8 ist beispielhaft ein Ethernet Netzwerk ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten, allerdings mit lediglich vier Rechenknoten 101-104 gezeigt. Des Weiteren sind interne Details der Rechenknoten 101-104 und des Sternkopplers 201 entsprechend Fig. 7 dargestellt. Wie dargestellt realisiert der Sternkoppler 201 in diesem Beispiel mehrere PHY Schichten PHY1- PHY8 und mehrere MAC Schichten MAC1-MAC8. Ethernet Frames (Ethernet Nachrichten) der Rechenknoten werden von den PHY Schichten von den Kommunikationsleitungen 110, 111 empfangen und über die Interfaces B201 an die MAC Schichten MAC1-MAC8 übertragen. Die MAC Schichten MAC1-MAC8 leiten dann die Daten untereinander nach definierten Weiterleitungsregeln F201 weiter. Zur Realisierung der Weiterleitungsregeln F201 können sowohl ein, zwei oder mehrere zentrale Speicherverwaltungen verwendet werden als auch lokale Speicherverwaltungen bei den jeweiligen MAC Schichten MAC1-MAC8.
Wie unter Fig. 7 bereits beschrieben können Abhängigkeiten D201, E201 zwischen PHY Schichten PHY1-PHY8 und MAC Schichten MAC1-MAC8 implementiert werden, die entscheiden, ob Ethernet Frames, die von den Kommunikationsleitungen 110, 111 empfangen oder über die Interfaces B201 an die MAC Schichten MAC1-MAC8 weitergereicht werden, an andere MAC Schichten MAC1-MAC8 weitergeleitet oder verworfen werden. Des Weiteren zeigt Fig. 8 auch vier Rechenknoten 101-104, die über jeweils zwei Kommunikationsleitungen 110, 111 mit dem Sternkoppler 201 verbunden sind. Für jeden der vier Rechenknoten 101-104 ist auch ein Teil der inneren Struktur dargestellt wie unter Fig. 7 beschrieben. D.h.,
• beim Senden von Daten können die Rechenknoten die Abhängigkeiten C101-C104, D101-D104, E101-E104 implementieren, die entscheiden, ob Daten letztendlich in Form von Ethernet Nachrichten an die Kommunikationsleitungen 110 und 111 versendet werden;
• beim Empfangen von Daten von Ethernet Nachrichten von den Kommunikationsleitungen 110 und 111 können die Rechenknoten die Abhängigkeiten C101-C104, D101- D104, E101-E104 implementieren, die entscheiden, ob Daten in den PHY, MAC, und/ oder APP Schichten verwendet werden oder verworfen werden.
Des Weiteren zeigt Fig. 8 auch fault-containment Einheiten FCE101A, FCE101B, FCE102A, FCE102B, FCE103A, FCE103B, FCE104A, FCE104B, FCE201A, FCE201B. Die Rechenknoten 101-104 und der Sternkoppler 201 bilden entsprechend jeweils für sich eine error- containment Einheit.
In Fig. 9 ist beispielhaft ein Ethernet Netzwerk ähnlich dem in Fig. 6 dargestellt, allerdings mit nur zwei Rechenknoten 101, 105 und zwei Sternkoppler 203, 205. Des Weiteren sind interne Details der Rechenknoten 101, 105 und der Sternkoppler 203, 205 dargestellt. Die Rechenknoten 101, 105 sind über genau eine Kommunikationsleitung 110 mit den Sternkopplern 203, 205 verbunden. Die Sternkoppler 203 und 205 sind durch zwei Kommunikationsleitungen 110, 111 miteinander verbunden.
Rechenknoten 101 definiert drei fault-containment Einheiten FCE101A, FCE101B, FCE101C, Rechenknoten 105 eine fault-containment Einheit FCE105A. Sternkoppler 203 definiert fünf fault-containment Einheiten FCE203A-FCE203E. Der Sternkoppler 205 definiert ebenfalls fünf fault-containment Einheiten FCE205A-FCE205E. Diese spezielle Art der Definition der fault-containment Einheiten und Verbindung von Rechenknoten zu den Sternkopplern hat diverse Eigenschaften, die für die Verwendung von Ethernet in sicherheits-kritischen Anwendungen von Vorteil sind: a) Die mehrfachen Kommunikationsleitungen 110, 111 müssen nur zwischen den Stern- kopplern 203, 205 eingesetzt werden, was die Gesamtkosten des Systems signifikant reduziert, da Kommunikationsleitungen 111 eingespart werden können. b) Der beliebige Ausfall einer der PHY Schichten in den Rechenknoten bedeutet, dass der Fehler eindeutig einem Rechenknoten (oder der PHY Schicht im Sternkoppler, mit dem der Rechenknoten direkt verbunden ist) zugeordnet werden kann. c) Der beliebige Ausfall einer PHY Schicht in einem der Sternkoppler bedeutet, dass der Sternkoppler im schlimmsten Fall die Ethernet Nachrichten eines Rechenknoten verfälscht weiterleitet, nämlich genau dann, wenn jene PHY Schicht fehlerhaft wird, mir welcher der Rechenknoten direkt verbunden ist.
In Fig. 10 ist ein Beispiel anhand eines Flussdiagramms dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert. In dem Beispiel übertragen die Rechenknoten 101 und 102, wie in Fig. 1 dargestellt, zeitgesteuert Nachrichten 1101 und 1102 über den Sternkoppler 201 an den Rechenknoten 105. Die Besonderheit einer zeitgesteuerten Kommunikation liegt darin, dass die Sendezeitpunkte 1401, 1402 und/ oder die Weiter leitungszeitpunkte 1403, 1404 der zeitgesteuerten Nachrichten bereits vor dem Versenden der Nachricht bekannt sind. Die Sendezeitpunkte 1401, 1402 und/ oder die Weiter leitungszeitpunkte 1403, 1404 können zum Beispiel bereits während des Designs des verteilten Echtzeitsystems festgelegt werden. Die Festlegung der Sendezeitpunkte, Weiterleitungszeitpunkte, Empfangszeitpunkte oder eine Teilmenge davon wird als das Kommunikationsschedule bezeichnet.
In Fig. 11 ist ein weiteres Beispiel anhand eines Flussdiagramms dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert. Im Unterschied zu Fig. 10 werden in Fig. 11 einem Sendezeitpunkt 1501, 1502 und einem Weiterleitungszeitpunkt 1503, 1504 jeweils Gruppen 1601, 1602 von zeitgesteuerten Nachrichten zugeordnet. Wie in Fig. 11 dargestellt, bleibt die Zuordnung von Nachrichten zu den Gruppen 1601, 1602 bestehen. Das muss allerdings nicht notwendigerweise der Fall sein, so könnte der Sternkoppler 201 auch nur den Weiterleitungszeitpunkt 1503 implementieren und, wenn der Weiterleitungszeitpunkt 1503 erreicht ist, alle Nachrichten der Gruppen 1601 und 1602 weiterleiten. Im Allgemeinen kann sich die Zuordnung von Nachricht zu einer Gruppe pro Rechenknoten und Sternkoppler beliebig neu gestalten. Für eine Realisierung der Erfindung kann es hilfreich sein, wenn die Kommunikation der Ethernet Frames über die Kommunikationsleitungen 110, 111 zeitgesteuert erfolgt. D.h., ein Empfänger (z.B., Sternkoppler 201) der nun zeitgesteuerte Nachrichten über die Kommunikationsleitungen 110, 111 empfängt, kann davon ausgehen, dass die zusammengehörenden Nachrichten in engem zeitlichen Abstand zueinander von den Kommunikationsleitungen 110, 111 empfangen werden. Dementsprechend können die Abhängigkeiten zwischen den PHY Schichten (z.B., E201) oder den MAC Schichten (z.B., D201) oder den APP Schichten (z.B., C201) schnell entscheiden, ob die zusammengehörenden Ethernet Nachrichten ident sind oder nicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Übertragung von Nachrichten in einem Computernetzwerk, wobei das Computernetzwerk Rechenknoten (101-105) umfasst, welche Rechenkoten (101-105) über zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk (1000) miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten (101-105) über zumindest eine Kommunikationsleitung (110) mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) verbunden ist, und wobei die Rechenknoten (101-105) untereinander und mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) Ethernet-Nachrichten austauschen, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer Menge von Komponenten, welche ausgewählt sind aus jenen Komponenten, welche von dem Computernetzwerk umfasst sind, das sind Rechenknoten und/ oder Sternkoppler und/ oder Multi-Hop-Netzwerke, wobei die Menge zwei oder mehr solcher Komponenten umfasst, jene Komponenten der Menge, welche direkt miteinander verbunden sind, jeweils durch zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) direkt miteinander verbunden sind, und b) sendende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der zu versendenden Ethernet Nachrichten an zumindest zwei der zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen (110, 111) versenden, und c) empfangende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der Ethernet Nachrichten, die über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) empfangen werden, nur dann akzeptiert und/ oder weiterleitet, wenn zumindest zwei idente Nachrichten über zumindest zwei unterschiedliche Kommunikationsleitungen empfangen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sendenden Komponenten der Menge an Komponenten und/ oder die empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten jeweils aus zwei oder mehreren fault-containment Einheiten bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass sich je Komponente unterschiedliche MAC Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der zumindest einen Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass je Komponente jede MAC Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass sich je Komponente unterschiedliche PHY Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault- containment Einheiten derart gewählt sind, dass je Komponente jede PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault- containment Einheiten derart gewählt sind, dass jede MAC Schicht und/ oder PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine empfangende Komponente der Menge an Komponenten nur eine der identen Nachrichten, welche die empfangende Komponente an den zumindest zwei unterschiedlichen Kommunikationsleitungen (110, 111) empfangen hat, weiterleitet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten zeitgesteuert von den Rechenknoten versendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten zeitgesteuert von den Sternkopplern weitergeleitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der SAE AS602 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um zeitgesteuert zu kommunizieren.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der IEEE 802.1AS Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird um zeitgesteuert zu kommunizieren.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der IEEE 1588 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird um zeitgesteuert zu kommunizieren.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Menge an Komponenten die zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen zu Zeitpunkten, zu denen keine gleichen Ethernet Nachrichten über zwei oder mehrere Kommunikationsleitungen übertragen werden, für die Übertragung von unterschiedlichen Ethernet Nachrichten verwenden.
15. Verfahren nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Link Aggregation Verfahren laut dem Standard IEEE 802.1AX oder einem darauf aufbauenden oder nachfolgenden Standard verwendet wird, um unterschiedliche Nachrichten über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen zu versenden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Komponenten ausschließlich Sternkoppler (201),. d.h. zwei oder mehrere Stern- koppler (201) beinhaltet.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jede Komponente für sich eine error- containment Einheit bildet.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jeder Sternkoppler (201) eine error- containment Einheit bildet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass zumindest ein Rechenknoten (101- 105) gemeinsam mit jeweils zumindest einem Sternkoppler (201) eine error-containment Einheit bildet.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jeweils genau ein Rechenknoten (101-105) gemeinsam mit genau einem Sternkoppler (201) je eine error-containment Einheit bildet.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komponente der Menge an Komponenten eine sendende Komponente, eine empfangende Komponente oder sowohl eine sendende als auch eine empfangende Komponente ist.
22. Computernetzwerk zur Übertragung von Nachrichten, wobei das Computernetzwerk Rechenknoten (101-105) umfasst, welche Rechenkoten (101-105) über zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk (1000) miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten (101-105) über zumindest eine Kommunikationsleitung (110) mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) verbunden ist, und wobei die Rechenknoten (101-105) untereinander und mit dem zumindest einen Sternkoppler (201) und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk (1000) Ethernet-Nachrichten austauschen, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer Menge von Komponenten, welche ausgewählt sind aus jenen Komponenten, welche von dem Computernetzwerk umfasst sind, das sind Rechenknoten und/ oder Sternkoppler und/ oder Multi-Hop-Netzwerke, wobei die Menge zwei oder mehr solcher Komponenten umfasst, jene Komponenten der Menge, welche direkt miteinander verbunden sind, jeweils durch zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) direkt miteinander verbunden sind, und b) sendende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der zu versendenden Ethernet Nachrichten an zumindest zwei der zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen (110, 111) versenden, und c) empfangende Komponenten der Menge an Komponenten zumindest einen Teil der Ethernet Nachrichten, die über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen (110, 111) empfangen werden, nur dann akzeptiert und/ oder weiterleitet, wenn zumindest zwei idente Nachrichten über zumindest zwei unterschiedliche Kommunikationsleitungen empfangen werden.
23. Computernetzwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die sendenden Komponenten der Menge an Komponenten und/ oder die empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten jeweils aus zwei oder mehreren fault-containment Einheiten bestehen.
24. Computernetzwerk nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault- containment Einheiten derart gewählt sind, dass sich je Komponente unterschiedliche MAC Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden.
25. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der zumindest einen Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass je Komponente jede MAC Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist.
26. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass sich je Komponente unterschiedliche PHY Schichten in unterschiedlichen fault-containment Einheiten befinden.
27. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/ oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt werden, dass je Komponente jede PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen wird.
28. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in den sendenden und/oder empfangenden Komponenten der Menge an Komponenten die fault-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jede MAC Schicht und/ oder PHY Schicht genau einer von zwei fault-containment Einheiten zugewiesen ist.
29. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine empfangende Komponente der Menge an Komponenten nur eine der identen Nachrichten, welche die empfangende Komponente an den zumindest zwei unterschiedlichen Kommunikationsleitungen (110, 111) empfangen hat, weiterleitet.
30. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten zeitgesteuert von den Rechenknoten versendet wird.
31. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ethernet Nachrichten zeitgesteuert von den Sternkopplern weitergeleitet wird.
32. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der SAE AS602 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um zeitgesteuert zu kommunizieren.
33. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der IEEE 802.1 AS Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird um zeitgesteuert zu kommunizieren.
34. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der IEEE 1588 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird um zeitgesteuert zu kommunizieren.
35. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Menge an Komponenten die zwei oder mehreren Kommunikationsleitungen zu Zeitpunkten, zu denen keine gleichen Ethernet Nachrichten über zwei oder mehrere Kommunikationsleitungen übertragen werden, für die Übertragung von unterschiedlichen Ethernet Nachrichten verwenden.
36. Computernetzwerk nach dem Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Link Aggregation Verfahren laut dem Standard IEEE 802.1AX oder einem darauf aufbauenden oder nachfolgenden Standard verwendet wird, um unterschiedliche Nachrichten über die zwei oder mehr Kommunikationsleitungen zu versenden.
37. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Komponenten ausschließlich Sternkoppler (201), d.h. zwei oder mehrere Sternkoppler (201) beinhaltet.
38. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jede Komponente für sich eine error-containment Einheit bildet.
39. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass jeder Sternkoppler (201) eine error-containment Einheit bildet.
40. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die error-containment Einheiten derart gewählt sind, dass zumindest ein Rechenknoten (101-105) gemeinsam mit jeweils zumindest einem Sternkoppler (201) eine error-containment Einheit bildet.
41. Computernetzwerk nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die error- containment Einheiten derart gewählt sind, dass jeweils genau ein Rechenknoten (101-105) gemeinsam mit genau einem Sternkoppler (201) je eine error-containment Einheit bildet.
42. Computernetzwerk nach einem der Ansprüche 22 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komponente der Menge an Komponenten eine sendende Komponente, eine empfangende Komponente oder sowohl eine sendende als auch eine empfangende Komponente ist.
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