AT506275B1 - Verfahren zur zuverlässigen übertragung von datenströmen über heterogene zeitgesteuerte netzwerke - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Rechtzeitigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung von Datenströmen in heterogenen zeitgesteuerten Netzwerken zu verbessern und den Aufwand für die Zwischenspeicherung der Daten zu senken. Dieses Ziel wird durch eine globale Planung der Datenströme erreicht, wobei die Bandbreiten in den Teilnetzwerken angeglichen und die Phasenlagen der Nachrichten über die globale Zeit synchronisiert werden. Die Einführung eines robusten konfliktfreien Datenstroms mit ausreichender Redundanz zur Vorwärtsfehlerkorrektur führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit und zu Energieeinsparungen.

Description

österreichisches Patentamt AT506 275B1 2012-10-15

Beschreibung [0001] Diese Erfindung betrifft ein effizientes und zuverlässiges Verfahren zur Übertragung von Echtzeit-Datenströmen (data streams) über mehrere heterogene zeitgesteuerte Netzwerke. Ein Beispiel für die Anwendung dieses Verfahrens ist die Übertragung von Multimedia Daten zwischen verschiedenen Endgeräten oder zwischen einem Multi-media Server und einem entfernten Endgerät.

[0002] Die verlässliche Übertragung von Datenströmen über heterogene Netzwerke ist vor allem im Bereich der Multimedia Technik von großer Bedeutung für die rechtzeitige Übertragung von Audio- und Videoströmen. Die in den letzten Jahren entwickelte zeitgesteuerte Technologie [1] bietet sich an, dieses Problem effizient und zuverlässig zu lösen.

[0003] In einem Multimediasystem, in dem mehrere zeitgesteuerte MPSoCs (Multi-core Sys-tem-on-Chips) mit TT-Ethernet (Time-Triggered Ethernet) [2] verbunden sind, sind zwischen dem Sender und Empfänger von Datenströmen mehrere zeitgesteuerte Netzwerke angeordnet. Bei einer Kommunikation zwischen zwei IP Cores auf verschiedenen MPSoCs sind normalerweise drei Netzwerke involviert: ein TTNoC (Time-Triggered Network on Chip) im ersten MPSoC, TT-Ethernet als Verbindungsnetzwerk der MPSoCs und ein weiteres TTNoC im zweiten MPSoC. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem neuen Verfahren mit dem die Bandbreite und Phasenlage der Nachrichten in diesen sehr unterschiedlichen Netzwerken aufeinander abgestimmt werden können, so dass in den Zwischenstationen keine großen Speicher zur Datenpufferung erforderlich sind und die Daten unter voller Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite mit optimaler Geschwindigkeit und minimaler Latenz konfliktfrei übertragen werden können. Die Zuverlässigkeit der Übertragung von Datenströmen wird erreicht indem aus dem Rohdatenstrom vor der Übertragung beim Sender ein robuster Datenstrom gebildet wird, in dem ausreichend Redundanz vorhanden ist, um erwartete auftretende Fehler durch Vorwärtsfehlerkorrektur korrigieren zu können. Beim Empfänger kann aus diesem robusten Datenstrom der ursprüngliche Rohdatenstrom wieder hergestellt werden, wobei aufgetretene Übertragungsfehler durch die im robusten Datenstrom enthaltene Redundanz in Echtzeit maskiert werden ohne eine Wiederholung der Übertragung fehlerhafter Daten vornehmen zu müssen. Der Redundanzgrad im robusten Datenstrom wird auf der Basis der Wichtigkeit der Daten und der von einem Diagnosesystem beobachteten tatsächlichen Fehlerrate dynamisch festgelegt.

[0004] Aus dem Stand der Technik ist hingegen beispielsweise durch die Veröffentlichung „How OEMs and Suppliers can face the Network Integration Challenges" (Dr. Kai Richter, Prof. Dr. Rolf Ernst) lediglich das Vorsehen eines dynamischen Kommunikationsschemas bekannt. Weiters zeigt die Veröffentlichung „A gateway for time-triggered control networks" (Shehryar Shaheen, Donal Heffernan, Gabriel Leen) die Ünterteilung von Nachrichten in Fragmente.

[0005] Durch diese Erfindung ergeben sich folgende signifikante wirtschaftliche Vorteile: [0006] Durch die Abstimmung der Bandbreiten in den unterschiedlichen TT-Netzwerken kann der Aufwand für Pufferspeicher in den Zwischenstationen signifikant reduziert werden.

[0007] Die Phasen-Synchronisation der Teilsysteme führt zu einer Verringerung der Übertragungszeit.

[0008] Die Bildung eines robusten Datenstroms mit Vorwärtsfehlerkorrektur führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit.

[0009] Die konfliktfreie Abwicklung der Kommunikation führt zu Energieeinsparungen, da die Energie, die für die Auflösung von Konflikten aufgewendet werden muss, eingespart werden kann.

[0010] Das vorab beschriebene Ziel und andere neue Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden in den angeführten Abbildungen erläutert. 1 /6 österreichisches Patentamt AT506 275B1 2012-10-15 [0011] Fig. 1 zeigt die Struktur eines Kommunikationssystems, das aus drei heterogenen zeitgesteuerten Netzwerken besteht.

[0012] Fig. 2 zeigt die Sendezeitpunkte der Nachrichten im zyklischen Zeitmodell [0013] Fig. 3 zeigt den Ablauf bei der Kodierung und Dekodierung des robusten Daten stroms.

[0014] Im folgenden Abschnitt wird eine Realisierung des neuen Verfahrens an einem möglichen Beispiel mit drei zeitgesteuerten Kommunikationssystemen gezeigt.

[0015] Fig. 1 zeigt die Struktur eines Kommunikationssystems, das aus den drei heterogenen zeitgesteuerten Netzwerken 112, 120 und 132 besteht. Ein Datenstrom wird im SoC (System on Chip) 110 im IP Core 111 generiert und in periodische Nachrichten unterteilt, wobei die Größe einer Nachricht nur durch den im IP Core 111 zur Verfügung stehenden Speicher begrenzt wird. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass eine Nachricht eine Länge von 100 kByte hat. Im Interface zum zeitgesteuerten TTNoC 112 wird die Nachricht in Fragmente unterteilt, deren Länge vom Aufbau des TTNoC 112 bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird festgelegt, dass die Fragmentlänge in einem Netzwerk immer einer ganzen Zweierpotenz entsprechen muss. Entsprechend beträgt im Beispiel die Fragmentlänge im TTNoC 112 16 Bytes. Das TTNoC 112 verfügt über eine sehr hohe Bandbreite, z.B. 10 Giga-Byte/Sekunde. Das Gatewaycore 113 des NoC 110 stellt eine Verbindung zwischen dem TTNoC 112 und dem externen zeitgesteuerten Netzwerk 120, z.B. einem TT Ethernet [3] her. Die Fragmentlänge im TT Ethernet 120 betragt 1024 Byte bei einer Bandbreite von 100 Mbit/Sekunde. Das Gatewaycore 131 des MPSoC 130 übernimmt die Nachricht vom TTEthernet Netzwerk 120 und sendet die Nachricht über das TTNoC 132 an den endgültigen Empfänger, dem IP Core 133. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Fragmentlänge im TTNoC 132 32 Byte bei einer Bandbreite von 10 GigaByte/Sekunde beträgt. Die begrenzende Bandbreite im vorliegenden Beispiel ist die Bandbreite von 100 Mbit/Sekunde im Netzwerk 120, die somit die Bandbreite des kontinuierlichen Datenstroms zwischen den IPCores 111 und 133 bestimmt. Für die Übertragung eines Fragments der Länge von 1024 Bytes im Netzwerk 120 benötigt man ca. 84 psec. Da erfindungsgemäß die Zyklendauer für die Übertragung eines Segments in einem Netzwerk nur eine negative Zweierpotenzen einer vollen Sekunde sein darf, wird für den Fragmentzyklus im Netzwerk 120 die Dauer 2'13 Sekunden, d.s. ca 122 psec festgelegt. Daraus folgt, dass im Netzwerk 112 mit einer Fragmentlänge von 16 Bytes der Zyklus 2"19 Sekunden und im Netzwerk 132 mit einer Fragmentlänge von 32 Bytes 2"18 Sekunden beträgt, da erfindungsgemäß das Produkt Zyklusfrequenz mal Bandbreite in allen Netzwerken den gleichen Wert haben muss um eine unnötige Zwischenspeicherung der Daten in den Gateways 113 und 131 zu verhindern. Im vorliegenden Beispiel werden zur Übertragung einer Nachricht von 100 kByte ca 12 msec benötigt.

[0016] Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf einer Nachrichtenübertragung am Beispiel des Zyklus des TTEthernet Netzwerkes 120. Dieser Zyklus beträgt 122 psec. Die beiden anderen Zyklen, der Zyklus des NoC 112 beträgt Zyklus 2'19 Sekunden, der im NoC 132 2'18 Sekunden. Der Zeitpunkt 2000 gibt den Beginn des Periodenzyklus auf der globalen Zeitachse an. Dieser Zeitpunkt ist im unteren Abschnitt von Fig. 2 durch das Setzen des Bits 2001 in dem standardisierten globalen Zeitformat dargestellt. Das Bit 2001 entspricht einer Periode von 2'4 Sekunden, d.i. 1/16 Sekunde, da es im globalen Zeitformat vier Bits rechts vom Sekundenbit 210 angeordnet ist. Die Dauer eines Nachrichtenzyklus 201 (Durchlauf des vollen Kreises 201) beträgt daher 24 Sekunden, d.s. im Beispiel wird alle ca 62.5 msec eine neue Nachricht versandt. Nach dem spezifizierten offset vom Zyklusbeginn der globalen Zeit (das Intervall zwischen 2000 und 2111 auf der zyklischen Zeitdarstellung bzw. das Bitmuster 2021 im unteren Abschnitt der Fig. 2), der Phase φ des Zyklus, beginnt das IP Core 111 mit dem Senden einer neuen Nachricht des robusten Datenstroms. In jeder Periode mit einer Dauer von 24 Sekunden wird zum Zeitpunkt 2111 eine neue Nachricht zu senden begonnen. Das System im Beispiel ist so konfiguriert, dass jede Nachricht in jeder Periode in der Form eines Pulses [7] im Intervall 2111 bis 2112 gesendet wird, wobei die Impulsdauer ca 12 msec beträgt. Zum Zeitpunkt 2111 beginnt das IP Core 111 mit dem Senden des ersten Fragments (Fragmentlänge 16 Bytes) einer neuen Nach- 2/6 österreichisches Patentamt AT 506 275 B1 2012-10-15 rieht über das NoC 112. Dieses Fragment kommt zum Zeitpunkt 2130 im Gatewayknoten 113 des ersten SoC 110 an. Zum Zeitpunkt 2131 beginnt das Senden der Ethernetnachricht über das Netzwerk 120 an den Gatewaycore 131 des zweiten SoC 130. Die vom NoC 112 angelieferten Segmente werden vom Gatewayknoten 113 ohne Zwischenpufferung sofort in die laufende Ethernetnachricht kopiert, da die Bandbreite der beiden Nachrichten erfindungsgemäß die gleiche ist. Zum Zeitpunkt 2132 kommt der erste Teil der Ethernet Nachricht im Gatewaycore 131 an. Nachdem mindestens 16 Byte Daten im Gatewaycore 131 eingetroffen sind beginnt das Gatewaycore 131 zum Zeitpunkt 2133 mit der Übertragung des robusten Datenstroms über das Netzwerk 132 an das endgültige Empfängercore 133, wo er erste Teil der Nachricht zum Zeitpunkt 2134 eintrifft.

[0017] Fig. 3 zeigt den Ablauf bei der Kodierung und Dekodierung des robusten Datenstroms. Beim Empfänger 111 wird aus dem Rohdatenstrom 301 mittels eines Redundanzkodierungsalgorithmus 302 ein robuster Datenstrom 305 gebildet. Der robuste Datenstrom ist durch einen Redundanzgrad gekennzeichnete, d.i. das Verhältnis aus der Länge des robusten Datenstroms 305 zur Länge des Rohdatenstroms 301. Die Entwicklung des Redundanzkodierungsalgorithmus 302 beginnt mit einer präzisen Spezifikation der Fehlerhypothese [5], d.s. die Annahmen über die Art und Häufigkeit der Fehler, die im robusten Datenstrom toleriert werden sollen. Auf der Basis einer solchen Fehlerhypothese kann entsprechend dem Stand der Technik der Rohdatenstrom 301 in Blöcke unterteilt werden, wobei im robusten Datenstrom 305 nach jedem Block ein CRC (cyclic-redundancy-check) Feld von einer Länge eingefügt wird, die die Korrektur der in der Fehlerhypothese angenommen Übertragungsfehler im vorangegangenen Block ermöglicht. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass jeder Block des Rohdatenstroms 301 im robusten Datenstrom mehrfach aufscheint, um beim Empfänger 133 durch Votierung über diese Kopien den ursprünglichen Rohdatenstrom 324 wieder herzustellen. Erfindungsgemäß hängt der Redundanzgrad der durch den Redundanzkodierungsalgorithmus 302 bestimmt wird von der beobachteten Übertragungsfehlerrate im Netzwerk 303 und von der Wichtigkeit der zu übertragenden Daten 304 ab. Es wird angenommen, dass die tatsächlich auftretende Fehlerrate von einem Diagnosesubsystem kontinuierlich gemessen und dem Redundanzkodierungsalgorithmus 302 für die Bildung des robusten Datenstroms 305 zur Verfügung gestellt wird, so dass sich der Redundanzkodierungsalgorithmus 302 an die tatsächlichen Umgebungsbedingungen anpassen kann. Ein solches Verfahren zur kontinuierlichen Fehlererkennung in einem heterogenen zeitgesteuerten System ist in [3] enthalten.

[0018] In vielen Anwendungen gibt es Daten von unterschiedlicher Wichtigkeit. Zum Beispiel kann in einem Multimedia-System grob zwischen Hard-Data und Soft-Data unterschieden. Hard-Data sind Daten, die beim Empfänger bitgenau eintreffen müssen, um die richtige Funktion des Systems zu gewährleisten. Soft-Data sind Daten, die eine beschränkte Anzahl von Fehlern enthalten können ohne dass die Systemfunktion wesentlich gestört wird, da die Fehler durch die Cognitive Resilience des menschlichen Perzeptionssystems maskiert werden können [6]. Ein Beispiel für einen Fehler in einem Soft-Data Datensatz ist ein fehlerhaftes Pixel das vom Empfänger in einem Bild mit einer Million Pixel kaum wahrgenommen werden kann. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Rohdaten des Datenstroms 301 entsprechend ihrer Bedeutung für die Funktion des Systems einer Wichtigkeitsklasse zugeordnet. Hard-Data, die bitgenau beim Empfänger eintreffen müssen, sind in der höchsten Wichtigkeitsklasse zugeordnet. Die Fehlerrate, die in Soft-Data akzeptabel ist, hängt von der konkreten Anwendung ab. Zum Beispiel ist ein Audio-Datenstrom in einer anderen Wichtigkeitsklasse als ein Video-Datenstrom. Die Wichtigkeitsklasse ist mitbestimmend führ die Parametrisierung des Redundanzkodierungsalgorithmus 302. Wenn die intrinsische Zuverlässigkeit der Übertragungstechnologie für die gegebene Wichtigkeitsklasse ausreicht, so kann auf die zusätzliche Redundanz verzichtet werden, d.h. der Rohdatenstrom 301 und der robuste Datenstrom 305 sind in einem solchen Fall identisch.

[0019] Die Konfigurationsdaten für die zeitgesteuerten Netzwerke 112, 120 und 132 werden von einer zentralen Planungsinstanz berechnet, die auch die Parametrisierung der Interfaces in den Cores 111, 113 und 131 vornimmt. 3/6

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT506 275 B1 2012-10-15 [0020] Die hier beschriebener konkrete Realisierung der Erfindung stellt nur eine von vielen Realisierungsmöglichkeiten dieser Erfindung dar. Patentansprüche 1. Kommunikationsverfahren zur Übertragung von Echtzeitdatenströmen über mehrere zeitgesteuerte Netzwerke, wobei in jedem Netzwerk mehrere Knotenrechner über ein zeitgesteuertes Kommunikationssystem verbunden sind, und wo einer oder mehrere der Knotenrechner eines Netzwerks die Funktion von Gateways zur Kopplung heterogener Netzwerke übernehmen, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Netzwerken eine einheitliche globale Zeit aufgebaut wird und wo der Sender eines Datenstroms aus den zu übertragenden Rohdaten einen robuster Datenstrom mit ausreichender Redundanz zur Vorwärtsfehlerkorrektur bildet und wo der robuste Datenstrom in periodische zeitgesteuerte Nachrichten unterteilt wird und wo eine Nachricht in jedem der Netzwerke i in netzwerkspezifische Fragmente Fragi mit der Länge unterteilt wird, und wo in jedem der Netzwerke i jedem Fragment Fragt ein Zyklus mit der Frequenz ft und der Phase φί zugewiesen wird, und wo das Produkt lt x ft in allen Netzwerken den gleichen Wert hat, und wo bei Kopplung der Netzwerke i und k über eine oder mehrere Gatewaykomponenten die Phasen <pi und <pk der Fragmente Fragi und Fragk über die globale Zeit aufeinander abgestimmt werden und wo nach Ankunft der Fragmente beim endgültigen Empfänger die robusten Daten dekodiert und aufgetretene Übertragungsfehler maskiert werden, um den Datenstrom der Rohdaten in seiner ursprünglichen Form beim endgültigen Empfänger wieder herzustellen.
2. 2. Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Redundanzgrad des robusten Datenstroms von der Wichtigkeitsklasse der zu übertragenden Daten abhängt.
3. 3. Kommunikationsverfahren nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Redundanzgrad des robusten Datenstroms von der beobachteten Fehlerrate abhängt.
4. 4. Kommunikationsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur Fragment Zyklen mit einer Dauer, die einer Zweierpotenz einer kleinsten Dauer entspricht, zugelassen werden.
5. 5. Kommunikationsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass nur Fragmente mit einer Länge, die einer Zweierpotenz einer kleinsten Länge entspricht, zugelassen werden.
6. 6. Kommunikationsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Planungsinstanz auf der Basis der Anforderungen an die Kommunikation die Parameter für die zeitgesteuerte Kommunikation in den heterogenen Netzwerken dynamisch berechnet.
7. 7. Kommunikationsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Planungsinstanz die Programmierung der Interfaces der zeitgesteuerten Netzwerke mit den berechneten Parametern vornimmt.
8. 8. System-on-Chip dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der in den Ansprüchen 1 bis 7 angeführten Verfahrensschritte direkt in der Hardware des System-on-Chip implementiert sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6