CN111279656A - 数据传输方法和通信网络 - Google Patents

Abstract

在具有主机用户M和至少一个从机用户的通信网络中，设置至少一个分配节点CU1，CU2，CU3，CU4，其具有多个输入/输出接口，每个输入/输出接口连接到一个网络段，其中主机用户M布置在第一网络段M1中，从机用户布置在第二网络段S1，S2，S3，S4，S5中。主机用户M和从机用户之间的数据交换以由主机用户发起的电报的形式进行。要从从机用户发送到主机用户的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含转发时间信息，即应当何时从分配节点经由输入/输出接口朝着具有主机用户的第一网络段的方向输出相应的电报，其中由主机用户M设定所述转发时间信息。

Description

数据传输方法和通信网络

技术领域

本发明涉及一种用于在具有至少一个分配节点的通信网络中进行数据传输的方法，并且涉及一种这样的通信网络。

本专利申请要求德国专利申请DE 10 2017 125 086.7的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

背景技术

局部通信网络，即所谓的“局域网”(LAN)，通常包括一个或多个服务器和工作站，即所谓的节点，它们经由通信线路网络(例如同轴缆线、光纤缆线或双绞线缆线)相互连接。利用网络操作系统和网络协议来操作这样的LAN。

用于LAN网络协议的最广泛的标准是以太网，利用该协议可以以千兆位范围内的速度传输具有长度高达1500字节的数据的电报(以下也称为以太网电报)。以太网协议优选地还在自动化技术中、特别是在制造和过程自动化中用于在控制任务的范筹下进行数据交换。

在自动化技术中，将所谓的现场总线系统用作通信网络，其中机器外围设备的分散布置的设备(如输入模块和/或输出模块、驱动器和操作员终端)经由现场总线与控制单元连接。在此，现场总线上的数据交换大多基于主从原理进行。

所述现场总线上的控制单元通常是主动的总线用户，以下也称为主机用户。它们具有总线访问权限并确定在所述现场总线上的数据传输。被动用户(以下也称为从机用户)通常是机器外围设备。他们没有总线访问权限，只能确认接收到的数据或应主机用户的请求而传送数据。

在自动化技术中使用通信网络时，特别是必须保证网络协议的实时能力。在控制机器时，有必要对控制任务进行周期处理而没有时间波动，即与期望的周期时间之间只有在几微秒范围内的小偏差，其中用可预测的响应时间来对调节要求做出反应。

为了在具有许多用户的自动化通信网络中限制电报的吞吐时间并由此能够达到实时能力，通常使用分配节点(即所谓的交换机)以分层的方式来构造这种自动化通信网络。

所述分配节点具有多个接口，经由这些接口将多个用户串(以下也称为网络段)并行绑定到网络中。对每个网络段，所述分配节点通常具有至少一个输入接口和至少一个输出接口。这些接口可以单独构造，也可以构造为组合的输入/输出接口。所述分配节点还可以对每个网络段具有多个输入接口和/或输出接口或组合的输入和输出接口。就以下提到的输入/输出接口而言，始终应当理解为上面的所有情形，其中，在铺设所述通信网络时可以分别选择对于各自应用目的来说最佳的输入/输出接口设计。

在此，分配节点检查在输入/输出接口上接收到的每个电报，以查找被请求用户的地址，然后经由相关联的连接到被请求用户的输入/输出接口转发所述电报。

分配节点通常按照先进先出(FIFO)原理工作，在该原理中最先接收到的那些电报也将被首先再次转发。但是，这妨碍了对这些电报的可靠实时处理。在分配节点更新的情况下，可以在转发各个电报时对其进行优先级排序，以确保在自动化技术的范围中所要求的实时能力。

还已知基于特定于协议的标识在固定的预给定时间点转发电报以实现实时处理的分配节点。然后，在所述分配节点中存储交换列表(即所谓的路由列表)，所述交换列表对于每个实时相关电报都包含电报标识、输入/输出接口以及转发时间点。

通常，在网络中除了包含用户的周期性输入/输出数据的实时相关电报之外，还接收、传输和转发通常包含用户的非周期性参数数据或状态数据的其他非实时相关电报。然后，在分配节点的路由列表中没有为这种非实时相关电报预给定转发时间点。

除了使用分配节点作为交换机以便将多个其他分配节点或网络段并行绑定到网络中之外，分配节点还可以用作主机用户的同步网关。于是，该分配节点只有两个输入/输出接口用于将所述主机用户连接到所述网络。于是，中间连接的分配节点用于将所述主机用户的所有电报与所述网络同步。由于所述电报从一个输入/输出接口到另一输入/输出接口的路由或转发在分配节点中是固定地预给定的，因此所述路由列表只为每个实时相关电报包含转发时间点。

为了使非实时相关电报的转发过程不会延迟实时相关电报的转发过程，通常将分配节点中用于这些电报的数据传输周期分为三个时间段。在US 8,179,923 B2中描述了这样的措施。

在第一时间段，即所谓的周期时间段中，只允许接收和转发实时相关电报。然后在紧接着的第二时间段，即所谓的非周期时间段中，传送非实时相关电报。然后在最后的第三个时间段、即所谓的过渡时间段中，虽然允许继续接收所有电报，但不再转发。

至少对应于用于非实时相关电报的最大转发持续时间的过渡时间段防止了在紧接着的下个周期时间段中由于非实时相关电报的转发过程仍在进行而导致实时相关电报的延迟传送。在所述过渡时间段中接收到的非实时相关电报被临时存储在分配节点中，并在下一个非周期时间段中被转发。

由于其他分配节点中的每一个都在周期时间段之外、特别是还在过渡时间段之外不受控制地转发非实时相关电报，因此在分配节点中很容易出现非实时相关电报的过载状况。特别是当与所述周期时间段相比大大缩短了数据传输周期中的非周期时间段时，就会出现这种过载状况。

由于网络内的运行时间以及为了在数据传输时达到尽可能短的死区时间，来自实时相关电报通常不会在所述周期时间段内由分配节点直接连续转发，而是中间会出现时间间隔，由此延长了所述周期时间段。于是在这种情况下存在以下风险：如果在所述过渡时间段和所述非周期时间段中接收到太多非实时相关电报，则分配节点中用于非实时相关电报的接收缓冲区会溢出。

此外，在US 8,179,923 B2提出的措施中必须始终在配置阶段中预先设置具有分配节点的通信网络。如果在所述周期时间段中转发的实时相关电报存在改变，则必须生成新配置并存储在所述分配节点中。特别是如果在所述通信网络中提供了多个分配节点，则这种配置改变会占用多个数据传输周期。

为了减少配置工作量，在DE 100 18 136 A1中提出了一种用于具有多个网络段的通信网络的数据传输方法，所述多个网络段经由分配节点相互连接，其中在一个网络段中的用户与另一个网络段中的用户之间交换的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含关于通过布置在用户之间的分配节点转发所述电报的信息。

在此，所述控制数据在电报通过期间由每个分配节点进行修改，以表明在数据传输范围内的电报转发进度。然而，还存在在分配节点中可能出现不同电报之间的冲突的风险，由此特别是不能确保数据传输方法的实时能力。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于具有至少一个分配节点的自动化通信网络的数据传输方法以及一种这样的自动化通信网络，它们使得能够在所述自动化通信网络中简单且可靠地传输实时相关电报和非实时相关电报。

该任务通过根据权利要求1的数据传输方法和根据权利要求7的自动化通信网络来解决。在从属权利要求中说明了优选的扩展。

对于使用具有主机用户和至少一个从机用户的自动化通信网络(以下也简称为通信网络)的数据传输方法，设置至少一个分配节点，所述至少一个分配节点具有多个输入/输出接口，每个输入/输出接口分别与网络段连接，其中将所述主机用户布置在第一网络段中，将所述从机用户布置在第二网络段中。所述主机用户和所述从机用户之间的数据交换以由所述主机用户发起的电报的形式进行。要从所述从机用户传输到所述主机用户的电报分别与控制数据相关联，这些控制数据包含转发时间信息，即应当何时从所述分配节点经由所述输入/输出接口朝着具有所述主机用户的第一网络段的方向输出相应电报，其中由所述主机用户设定所述转发时间信息。

通过将网络段直接连接到所述分配节点的输入/输出接口，可以将所述输入/输出接口连接到所述网络段。但是，也可以在所述分配节点的所述输入/输出接口和所述网络段之间中间连接其他分配节点或其他交换单元。如果提到输入/输出接口，则意味着设置至少一个输入接口和至少一个输出接口。这些接口可以单独构造，也可以构造为组合的输入/输出接口。

利用该措施，可以在所述分配节点中对从所述从机用户传送到所述主机用户的电报可靠地控制电报吞吐量，以避免电报冲突。要从所述从机用户传送到所述主机用户的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含转发时间信息，即应当何时将相应的电报从所述分配节点经由所述输入/输出接口输出到具有所述主机用户的网络段。

所述转发时间信息在此由所述主机用户预先设定。从而有可能通过所述主机用户灵活地对从所述从机用户经由所述分配节点转发到所述主机用户的电报进行精确的时间规划。

在此，所述转发时间信息不必预先存储在所述分配节点中，而是可以由所述主机用户根据每个控制周期中实际发生的电报业务来采取，并在控制数据的范围中在电报中传送给所述分配节点。通过将所有电报(不仅是周期性电报，而且还包括非周期电报)与转发时间信息相关联的可能性，还可以避免分配节点出现过载状况。

根据一个实施方式，所述电报在从所述主机用户开始到所述从机用户的封闭数据传输路径上在前向路径上传输并在返回路径上返回地传输，其中所述主机用户为每个要从所述从机用户传送到所述主机用户的电报产生数据首部块(Daten-Kopfsatz)，该数据首部块具有控制部分和紧接着的针对要通过的每个分配节点的数据部分。所述控制部分包含电报标识。此外，与所述分配节点相关联的数据部分包括用于所述电报的转发信息，该转发信息实现了与具有所述主机用户的第一网络段连接的输入/输出接口以及与具有所述从机用户的第二网络段连接的输入/输出接口的关联，并且所述转发信息包含转发时间信息，即应当何时将电报从所述分配节点经由所述输入/输出接口输出到具有所述主机用户的第一网络段。

此外，所述电报的控制部分可以具有计数器，该计数器表明从所述主机用户开始直到所述从机用户为止要由所述电报通过的分配节点的数量，其中所述分配节点在从所述主机用户到所述从机用户的前向路径上被电报通过时递减所述计数器，并在从所述从机用户到所述主机用户的返回路径上递增所述计数器。

根据一个实施方式，在电报从所述主机用户到所述从机用户的前向路径上，所述分配节点在电报通过时从所述电报的数据首部块获取与所述分配节点相关联的数据部分，然后当所述计数器表明不再通过其他分配节点时，附加地从所述电报的数据首部块中获取控制部分，其中在电报从所述从机用户到所述主机用户的返回路径上，所述分配节点在电报通过时将与所述分配节点相关联的数据部分插入所述电报的数据首部块中，然后当所述电报没有控制部分时，附加地将所述控制部分插入所述电报的数据首部块中。

所述电报的数据首部块中的数据部分在此可以包含命令信息，该命令信息设定所述数据部分中其他数据的含义，其中该命令信息在所述电报从所述主机用户到所述从机用户的前向路径上向所述分配节点表明：所述其他数据包括所述转发信息和所述转发时间信息。

此外，所述命令信息在电报从所述从机用户到所述主机用户的返回路径上表明，所述其他数据包括诊断信息。

在一个实施方式中，所述通信网络是现场总线系统，优选地是基于以太网的现场总线系统，特别是EtherCAT现场总线系统。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明。在此，相同的附图标记表示相同或等同的组件。

图1示意性地示出了具有多个网络段和链接的分配节点的主从通信网络的结构，

图2A示意性地示出了用于图1所示的通信网络中的主机用户和从机用户之间的数据交换的电报的结构，其中在具有所述主机用户的网络段和具有所述从机用户的网络段之间设置了三个分配节点，其中示出了所述主机用户之后和在前向路径上通过三个分配节点之后的电报的结构，

图2B示意性地示出了在图1所示的自动化通信网络中用于在主机用户和从机用户之间交换数据的电报的结构，其中在具有所述主机用户的网络段和具有所述从机用户的网络段之间设置了三个分配节点，并且其中示出了在所述从机用户之后和在返回路径上经过了这三个分配节点之后所述电报的结构。

具体实施方式

以在制造和过程自动化的范畴下使用的通信网络为例来描述本发明。然而，不应当限制性地理解该使用说明。本发明可以应用在以下所有通信网络中，在这些通信网络中设置了至少一个分配节点，该至少一个分配节点具有多个输入/输出接口，每个输入/输出接口都连接到一个网络段。

自动化技术中的通信网络通常被设计为串行现场总线系统，其中分散布置的设备与控制单元进行通信。在此，用户经由现场总线彼此联网。

用户之间的数据交换通常基于主从原则来进行。主动的总线用户(也称为主机用户)是确定所述串行现场总线上的数据传输的控制单元。而机器外围的设备(也称为从机用户)形成被动的总线用户，而没有自己的总线访问授权，即机器外围的设备只允许确认接收到的消息或在主机用户的请求下传送消息。所述机器外围的设备是例如输入和/或输出组件，这些组件将机器的传感器或致动器与现场总线连接。在此，所述输入和/或输出组件也可以被直接集成到所述机器的传感器或致动器中。

在自动化技术中，通常借助于经由所述现场总线的数据交换来进行控制，使得所述主机用户周期性地执行控制过程，以便基于所述从机用户的输入数据为所述从机用户产生输出数据。所述主机用户以电报的形式将所述输出数据输出到所述现场总线上，其中所述从机用户从所述电报中获取相关联的输出数据，以便用所述输出数据执行本地用户过程。然后，由本地用户过程确定的数据从所述从机用户传送回所述主机用户，接着由所述主机用户用作下一个控制过程的输入数据。

对于现场总线系统来说，通常除了用于执行控制任务且其数据业务周期性地进行的电报外，还在非周期数据业务中交换其他电报。非周期数据业务用于现场总线系统中不会连续重复的事件。非周期电报例如是具有参数化数据和配置数据以及带有诊断消息的数据的电报。与周期数据业务相反，非周期数据业务是非实时相关的，因此在下面周期电报也称为实时相关电报，而非周期电报也称为非实时相关电报。

为了能够借助于所述现场总线系统执行快速调节过程，必须保证电报的较短的循环时间。因此，在具有许多从机用户的现场总线系统中，通常使用分支来缩短电报的运行时间。该现场总线系统在数据传输路段中具有一个或多个分配节点，多个独立的网络段连接到所述一个或多个分配节点。

可以使用不同的传输协议来操作具有主从体系架构的现场总线系统，其中优选使用基于以太网技术的协议。在以太网技术的情况下，数据以面向分组的方式传输。按照标准，以太网电报的长度为1518字节，其中18字节被保留用于报头部分和结束部分。在以太网电报的报头部分中设置了数据字段，在该数据字段中设定了应当以哪种以太网协议类型解释所述以太网电报中的有用数据。

在自动化技术中，在以太网技术的范围中优选使用保证实时能力的协议类型。一种这样的实时标准是EtherCAT协议，在该协议中由从机用户在以太网电报通过时处理所述以太网电报中的有用数据，以提供快速的工业以太网系统。

在此，在EtherCAT电报中嵌入数据报，每个数据报都包含控制数据字段和有用数据字段。在所述控制数据字段中包含命令字段，该命令字段表明将由相关联的从机用户利用所述有用数据字段执行的数据传输过程，也就是说，是否应当执行其中所述从机用户应当从所述有用数据字段中获取数据的读取过程，或者是否应当执行其中所述从机用户应当将数据插入到所述有用数据字段中的写入过程，也或者是否应当执行其中所述从机用户应当首先从所述有用数据字段中获取数据、然后再将数据插入所述有用数据字段中的读/写过程。然后，在所述控制数据字段的地址字段中，设定了在所述有用数据字段通过时从机用户应当与其交换数据的从机用户中的数据区、或从机用户。

在此，所述从机用户在接收到EtherCAT电报的数据报中的控制数据字段后立即开始数据处理，并评估命令字段和地址字段。于是如果对所述从机用户进行寻址，在EtherCAT电报中的所述数据报通过所述从机用户期间，所述从机用户在读取数据报的情况下或在读/写数据报的情况下从所述有用数据字段中获取确定用于所述从机用户的输出数据。在写数据报或读/写数据报的情况下，输入数据在通过时由所述从机用户插入到所述数据报的有用数据字段中。当所述从机用户在所述数据报通过期间处理该数据报时，仅短暂地延迟EtherCAT电报。

下面以EtherCAT电报业务为例解释本发明。然而，在本发明的范围内可能使用不同的、优选地具有实时能力的以太网协议。但是，本发明也可以用在不基于以太网的通信网络中，其中设置至少一个分配节点，该至少一个分配节点具有多个输入/输出接口，每个输入/输出接口连接到一个网络段，其中主机用户布置在第一网络段中，而至少一个从机用户布置在第二网络段中。

在具有一个连接到多个网络段的分配节点的通信网络中，用于在所述主机用户和所述从机用户之间交换输入和输出数据的电报必须在控制周期内及时到达接收器，以确保在自动化技术的范围内所要求的实时通信得到保证。在此，特别是要防止在分配节点中出现同时到达的周期电报之间的冲突。此外，分配节点中的过载状况特别是可以由非周期电报引起。

在具有主从体系架构的通信网络中，存在分配节点中发生冲突和过载状况的风险，特别是在将电报从所述从机用户传送到所述主机用户的情况下。因为所述主机用户可以基于其总线访问权限来在时间方面控制发送过程，使得避免分配节点中的电报冲突或电报过载。相反，本身没有总线访问权限的从机用户无法对传送过程进行时间方面的规划，从而电报可能同时到达连接到具有从机用户的多个网络段的分配节点，或可能出现电报溢出。

为了能够控制分配节点中的电报吞吐量，特别是在将电报从所述从机用户传送到所述主机用户的情况下，把要从所述从机用户传送到所述主机用户的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含转发时间信息，即应当何时将相应的电报从所述分配节点经由所述输入/输出接口输出到具有所述主机用户的网络段。

在此，所述转发时间信息由所述主机用户事先设定。利用该措施使得能够通过所述主机用户灵活地对从所述从机用户经由所述分配节点转发到所述主机用户的电报进行精确的时间规划。

在此，所述转发时间信息不必事先存储在所述分配节点中，而是可以由所述主机用户根据每个控制周期中实际发生的电报业务来采取，并在控制数据的范围中在电报中传送给所述分配节点。此外，将所有电报(不仅是周期电报，还包括非周期电报)与转发时间信息相关联的可能性也可以防止所述分配节点中的过载状况。

在图1中示出了主从通信网络的示例配置。该通信网络具有四个分配节点CU1，CU2，CU3和CU4，这些分配节点经由现场总线相互连接。在此，这些分配节点具有存储器。在此，现场总线拓扑被实施为使得具有主机用户M的第一网络段M1经由第一数据传输路段D1连接到第一分配节点CU1的第一输入/输出接口。此外，第一分配节点CU1的第二输入/输出接口经由第二数据传输路段D2与具有一个或多个从机用户的第二网络段S1连接。此外，第一分配节点CU1经由第三输入/输出接口和第三数据传输路段D3连接到第二分配节点CU2的第一输入/输出接口。

第二分配节点CU2具有第二和第三输入/输出接口，所述第二和第三输入/输出接口分别经由第四数据传输路段D4与第三分配节点CU3的第一输入/输出端口连接以及经由第五数据传输路段D5与第四分配节点CU4的第一输入/输出接口连接。

第三分配节点CU3具有第二输入/输出接口以及第三输入/输出接口，具有一个或多个从机用户的第三网络段S2经由第六数据传输路段D6连接到所述第二输入/输出接口，具有一个或多个从机用户的第四网络段S3经由第七数据传输路段D7连接到所述第三输入/输出接口。

第四分配节点CU4包括第二输入/输出接口和第三输入/输出接口，所述第二输入/输出接口经由第八数据传输路段D8与具有一个或多个从机用户的第五网络段S4连接，所述第三输入/输出接口经由第九数据传输路段D9与具有一个或多个从机用户的第六网络段S5连接。

在图1所示的用于主-从通信网络的示例配置中，网络段M1，S1，S2，S3，S4，S5分别具有带有前向路径和返回路径的数据传输路径，以下也称为前向信道和返回信道。网络段M1，S1，S2，S3，S4和S5因此形成了从所述分配节点处的输入/输出接口开始的封闭数据路径。分配节点CU1，CU2，CU3，CU4之间的数据传输路段D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8和D9同样具有前向信道和返回信道。在图1中通过双箭头表明了各个组件之间的双向数据传输的可能性。

所述通信网络中的数据传输可以基于统一的协议(例如EtherCAT协议)进行。但是，也可能在所述通信网络中不同的协议相互混合，也就是说，利用不同的协议来操作各个网络段M1，S1，S2，S3，S4，S5。然后将主机用户M设计为，使得它可以处理所述通信网络中使用的所有协议。

在所述示例配置中设置四个分配节点CU1，CU2，CU3，CU4。但是，也可能使用更多或更少的分配节点，这些分配节点可以以任何方式相互连接。此外，可以将任意数量的具有从机用户的网络段连接到每个分配节点，其中各个网络段可以具有任意数量的从机用户。

下面基于EtherCAT协议解释主机用户M和第三网络段S2中的从机用户之间的数据交换。主机用户M在每个EtherCAT电报之前设置数据首部块，以下也称为路由报头，在EtherCAT电报的情况下第三网络段S2中的至少一个从机用户应当执行写过程，即将数据写入到所述EtherCAT电报的有用数据字段中。

所述路由报头针对在主机用户M和第三网络段S2中的从机用户之间布置的分配节点CU1，CU2，CU3包含关于电报转发的信息，即关于电报路由的信息，以及关于应当何时转发所述电报的时间信息。主机用户M可以借助于路由报头在时间方面优化每个控制周期中的电报业务。

由于主机用户M为由所述从机用户传送的所有电报(也就是说，不仅针对周期电报，而且针对非周期电报)在所述分配节点中预先给定了路由，因此所述分配节点中的电报冲突和过载状况被可靠地避免，所述电报冲突和过载状况尤其是通过事件触发的非周期电报引起。

在主机用户M和第三网络段S2中的从机用户之间用作示例的数据通信中，在图1所示的示例配置中，在第三网络段S2和具有主机用户M的第一网络段M1之间设置了三个分配节点CU1，CU2，CU3。于是，由主机用户M在EtherCAT电报之前设置的路由报头针对三个分配节点CU1，CU2，CU3中的每个分配节点包含自己的数据部分。

于是在各自的数据部分中包含针对相关联的分配节点CU1，CU2，CU3的转发信息，该转发信息向分配节点CU1，CU2，CU3预先给定应当在前向路径上将所述电报输出到哪个输入/输出接口上。此外，在所述数据部分中也包含转发时间信息，即应当何时在返回路径上从相关联的分配节点转发电报。

除了用于每个分配节点CU1，CU2，CU3的数据部分外，用于EtherCAT电报的路由报头还包含控制部分，该控制部分位于所述数据部分之前，该控制部分包含唯一的电报标识并且具有计数器，该计数器表明从主机用户M开始直到具有从机用户的第三网络段S2为止要被所述电报通过的分配节点CU1，CU2，CU3的数量，在该示例中也就是三个分配节点CU1，CU2，CU3。

图2A和2B示意性地示出了根据本发明的扩展的EtherCAT电报，该电报用于在主机用户M和第三网络段S2中的从机用户之间进行数据交换，其中图2A示出了前向路径上的电报，而图2B示出了返回路径上的电报。在此，在图2A中分别示出了由主机用户M输出之后以及在前向路径上通过三个分配节点CU1，CU2，CU3之后电报的结构，而在图2B中示出了由从机用户处理之后以及在返回路径上通过三个分配节点CU1，CU2，CU3之后电报的结构。

在此，图2A中的第一电报结构T1表示由主机用户M输出到相关联的网络段M1以便经由第一数据传输路段D1传输到第一分配节点CU1的第一输入/输出接口的电报。设置在EtherCAT电报ECAT之前的路由报头具有控制部分TEL，该控制部分包括电报标识和计数器，该计数器表明要通过的分配节点数量。所述路由报头中的控制部分TEL紧接着是三个数据部分D-CU1，D-CU2，D-CU3，即所述数据传输路径中针对每个分配节点CU1，CU2，CU3一个数据部分，其中这些数据部分按以下顺序布置，按照该顺序通过分配节点CU1，CU2，CU3。

下面以表格形式示例性说明第一个电报结构T1中路由报头的可能字节结构：

字节0到7保留给控制部分TEL，其中字节0到5包含标识信息DEST-MAC-ID，其向分配节点表明：这是扩展的EtherCAT电报。基于标识信息DEST-MAC-ID，分配节点确定所述电报在路由报头中具有与所述分配节点相关联的数据部分。

标识信息DEST-MAC-ID的一个字节构成计数器，该计数器表明从主机用户M开始直到具有从机用户的网络段为止要被所述电报通过的分配节点的数量。

此外，标识信息DEST-MAC-ID向所述分配节点表明随后是用于识别所述电报的电报标识。然后，电报识别部包含在控制部分TEL的字节6和7中并且称为TEL-ID。

然后，控制部分TEL之后紧接着分别是用于各个分配节点的数据部分，每个数据部分的长度为8个字节。该表格详细说明了字节8至15的内容，字节8至15构成了用于第一分配节点CU1的数据部分D-CU1。然后类似地构造用于第二分配节点CU2的数据部分D-CU2的字节16至23和用于第三分配节点CU3的数据部分D-CU3的字节24至31。

用于第一分配节点CU1的数据部分D-CU1中的字节8是命令字节CMD，其设定了所述数据部分中其他字节的含义，其中命令字节CMD被置为值“1”。

然后，即如果命令字节CMD具有值“1”，则用于第一分配节点CU1的数据段D-CU1的字节9说明输入/输出接口，也称为端口，所述电报应当由分配节点CU1在前向路径上经由该输入/输出接口输出。字节10和11设置作为保留字节，并且例如可以包含用于分配节点CU1的附加控制信息。

如果命令字节CMD的值为“1”，则字节12至15说明转发时间信息，该转发时间信息设定：应当何时将所述电报从分配节点CU1在返回路径上输出到第一输入/输出接口，所述第一输入/输出接口通向具有主机用户M的第一网络段M1。在此，该转发时间信息可以采用时间说明的形式，该时间说明指明针对通过分配节点CU1在前向路径上对所述电报的接收时间的相对时间，然后在该时间所述电报应当在返回路径上由分配节点CU1转发。如果在主机用户M和分配节点CU1，CU2，CU3之间附加地进行时间同步，则代替相对的时间说明也可以进行绝对的时间说明。还可能的是，代替设定时间点，而是指明、即设定所述电报应当始终立即、即没有延迟地转发。

然后，如上所述，由主机用户M输出的、具有第一电报结构T1的电报在前向路径上由第一分配节点CU1接收。分配节点CU1确定所述电报在实际EtherCAT电报ECAT之前具有路由报头，然后从控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID开始评估所述路由报头。

基于控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID中的计数器，第一分配节点CU1识别出随后还有两个其他分配节点，其中在此该计数器表明直到具有从机用户的第三网络段S2为止所述电报总共通过的分配节点的数量，即本示例情况中的三个分配节点。

然后，第一分配节点CU1使所述路由报头的控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID中的计数器递减，并从所述电报中获取与第一分配节点相关联的数据部分D-CU1，该数据部分D-CU1跟随所述路由报头中的控制部分TEL。第一分配节点CU1将从所述电报中获取的数据部分D-CU1存储在其存储器中，其中第一分配节点CU1附加地存储来自控制部分TEL的电报标识TEL-ID以及在其上接收了所述电报的第一输入/输出接口。

同时，第一分配节点CU1经由第一分配节点CU1的在数据部分D-CU1中说明的第三输入/输出接口转发缩短了提取的数据部分D-CU1的电报，该电报在图2A中作为第二电报结构T2示出。然后将该缩短的电报经由第三数据传输路段D3和第二分配节点CU2的第一输入/输出接口而传输到第二分配节点CU2，并由第二分配节点CU2接收。

类似于在第一分配节点CU1中对具有第一电报结构T1的电报的处理，第二分配节点CU2对具有第二电报结构T2的缩短的电报进行处理。在此，第二分配节点CU2评估在实际的EtherCAT电报ECAT之前的路由报头，并且基于控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID中的计数器来确定随后还有另一个分配节点。然后，分配节点CU2使所述路由报头的控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID中的计数器递减，并获取与第二分配节点CU2相关联的数据部分D-CU2，该数据部分D-CU2在所述缩短的电报的路由报头中跟随控制部分TEL。

第二分配节点CU2将相关联的数据部分D-CU2存储在其存储器中，其中附加地将来自控制部分TEL的电报标识TEL-ID以及在其上接收了所述缩短的电报的输入/输出接口也保存在第二分配节点CU2的存储器中。然后，第二分配节点CU2将再次缩短的电报(其在图2A中作为第三电报结构T3示出)转发到第二分配节点CU2的在相关联的数据段D-CU2中说明的第二输入/输出接口。然后，所述再次缩短的电报经由第四数据传输路段D4和第三分配节点CU3的第一输入/输出接口传输到第三分配节点CU3，并且由第三分配节点CU3接收。

又类似于在第一分配节点CU1中对具有第一电报结构T1的电报的处理、或者类似于在第二分配节点CU2中对具有第二电报结构T2的所述缩短的电报的处理，第三分配节点CU3——在第三分配节点CU3中现在存在具有第三电报结构T3的所述再次缩短的电报——继续下去，以及从控制部分TEL中的标识信息DEST-MAC-ID开始评估所述再次缩短的电报的路由报头。在此，第三分配节点CU3基于控制部分TEL的标识信息DEST-MAC-ID中的计数器确定随后没有其他分配节点。因此，第三分配节点CU3不仅从所述再次缩短的电报中获取在所述路由报头中跟随控制部分TEL的关联的数据部分D-CU3，而且还获取控制部分TEL，使得整个路由报头从所述再次缩短的电报中被除去并且将所述电报减少为EtherCAT电报ECAT，如图2A中的第四电报结构T4所示。

第三分配节点CU3在其存储器中存储从所述再次缩短的电报获取的数据部分D-CU3、电报标识TEL-ID以及在其上接收了所述再次缩短的电报的输入/输出接口。此外，第三分配节点CU3存储来自EtherCAT电报ECAT的其他控制信息，所述其他控制信息可以用于识别EtherCAT电报ECAT。为此，第三分配节点CU3可以使用例如包含在EtherCAT电报ECAT本身中的DEST-MAC-ID(ECAT)。

同时，第三分配节点CU3经由第三分配节点CU3的第二输入/输出接口输出根据第四电报结构T4而缩短了完整的路由报头的电报，即EtherCAT电报ECAT。

从与第六数据传输路段D6连接的第三分配节点CU3处的第二输入/输出接口开始，具有其从机用户的第三网络段S2形成封闭的数据路径或具有前向信道和返回信道的数据传输路径。具有EtherCAT电报ECAT的电报在第三网络段S2上在通过时由从机用户处理，通常在前向信道上处理。但是，EtherCAT电报ECAT的处理也可以在返回信道上进行、或既在前向信道上又在返回信道上进行。

所述从机用户从EtherCAT电报ECAT获取由主机用户M关联给各自从机用户的输出数据，或者反过来，根据是应当执行读过程、写过程、还是读/写过程来将用于主机用户M的输入数据插入EtherCAT电报ECAT中。

然后，在通过第三网络段S2中的从机用户处理EtherCAT电报ECAT之后，根据第四电报结构T4又将EtherCAT电报ECAT施加到第三分配节点CU3的第二输入/输出接口。在图2B中再次示出了具有根据第四电报结构T4的EtherCAT电报ECAT的电报，该电报在通过第三网络段S2中的从机用户处理之后在返回信道上到达第三分配节点CU3的第二输入/输出接口。

现在，在所述电报返回主机用户M的返回路径上，又为所述电报添加路由报头，要以相反的顺序通过的三个分配节点CU3，CU2，CU1在此连续地在所述电报传输期间将所述路由报头添加到所述电报中。

如上所述，经由第二输入/输出接口接收了经处理的电报的第三分配节点CU3根据第四电报结构T4来识别所述电报。第三分配节点CU3使用附加存储的EtherCAT电报ECAT的控制信息(例如DEST-MAC-ID(ECAT))来进行电报识别，所述控制信息包含在EtherCAT电报ECAT本身中。

然后，第三分配节点CU3给EtherCAT电报ECAT补充控制部分TEL，所述控制部分包含标识信息DEST-MAC-ID和电报识别码TEL-ID，该标识信息向所述分配节点表明该电报在路由报头中具有与所述分配节点相关联的数据部分。在此，在标识信息DEST-MAC-ID中，第三分配节点CU3递增计数器，该计数器表明要由所述电报通过的分配节点的总数量。

此外，第三分配节点CU3在控制部分TEL之后将数据部分D-CU3*插入所述电报中，其中命令字节CMD被置为值“2”，该命令字节CMD设定了所述数据部分中的其他字节的含义。由此表明，应当与在前向路径上的数据段D-CU3不同地来解释在返回路径上的数据段D-CU3*中的后续字节。

然后，第三分配节点CU3在存储的第一输入/输出接口上输出经补充的电报，该电报具有图2B中所示的第五电报结构T5，在存储的第一输入/输出接口上已接收了具有第三电报结构T3的再次缩短的电报。第三分配节点CU3在此基于存储的转发信息确定用于经补充的电报的转发时刻，第三分配节点CU3在前向路径上从相关联的数据部分D-CU3获取了所述转发信息。

然后经由第四数据传输路段D4将具有包括控制部分TEL和数据部分D-CU3*的路由报头的、经补充的电报传输到第二分配节点CU2的第二输入/输出接口。然后第二分配节点CU2进一步处理所述经补充的电报中的路由报头，其方式是第二分配节点CU2又在控制部分TEL中使计数器递增。此外，第二分配节点CU2在所述路由报头中的控制部分TEL之后和数据部分D-CU3*之前插入其他数据部分D-CU2*，其中设定了所述数据部分中其他字节的含义的命令字节CMD又被置为值“2”。

然后，第二分配节点CU2在存储的第一输入/输出接口上转发具有图2B中所示的第六电报结构T6的再次经补充的电报，在该第一输入/输出接口上已在前向路径上接收了所述缩短的电报，其中通过转发信息设定转发时刻，所述转发信息是在前向路径上从数据部分D-CU2获取的。

然后，第一分配节点CU1接收经由第三数据传输路段D3和第一分配节点CU1的第三输入/输出接口传输的再次经补充的电报。然后，第一分配节点CU1在处理经补充的电报时以类似于第二分配节点CU2的方式进行，并且在评估了控制部分TEL之后，在所述再次经补充的电报中使控制部分TEL中的计数器递增。此外，第一分配节点CU1给路由报头补充数据部分D-CU1*，就数据部分D-CU1*而言，命令字节CMD的值被置为“2”，其中数据部分D-CU1*直接插入到路由报头中的控制部分TEL之后以及其他数据部分D-CU2*，D-CU3*之前。

第一分配节点CU1在存储的第一输入/输出接口上输出完整的电报，该电报在图2B中作为第七电报结构T7示出。现在，该电报又是完整的并在结构上与具有第一电报结构T1的电报相对应。该完整的电报的转发时刻通过转发信息加以设定，所述转发信息是在前向路径上从数据部分D-CU1获取的。

然后，主机用户M可以经由第一数据传输路段D1接收所述完整的电报，并且对其进行进一步处理。

下面的表格根据电报结构T7示出了所述电报的路由报头。

在此，由主机用户M接收的完整电报中的路由报头的字节结构对应于由主机用户M发送的电报中的路由报头的字节结构，其中控制部分TEL是相同的并且作为字节0至5具有标识信息DEST-MAC-ID，其中包含的计数器表明通过的分配节点的数量，即三个分配节点。控制部分TEL中的字节6和7说明了电报标识TEL-ID，该电报标识识别所述电报。

然后，在所述路由报头中紧接着是分配节点CU1，CU2，CU3的数据部分D-CU1，D-CU2，D-CU3，其中第一分配节点CU1占用字节8至15，第二分配节点CU2占用字节16至25，第三分配节点CU3占用字节24至31。

针对第一分配节点CU1的数据部分D-CU1详细地说明了所述字节结构。字节8说明命令信息CMD，该命令信息CMD示出了路由报头中后续字节的含义。命令信息CMD的值2在此说明字节9至11是保留数据，字节12至15说明第一分配节点CU1中的接收时间，该接收时间被表示为在前向路径上接收到电报T1和在返回路径上接收到所述电报之间经过的时间段。如果在主机用户M和分配节点CU1，CU2，CU3之间附加地进行时间同步，则代替相对的时间说明也可以进行绝对的时间说明。

上面解释的数据交换针对EtherCAT协议进行了优化，在该协议中，电报只能在没有路由报头的条件下由从机用户处理。因此，如上所解释的，所述路由报头被通过的分配节点在前向路径上相继从所述电报中除去并且临时存储，以便随后在返回路径上重新插入所述电报中。在此，所述分配节点基于转发时间信息来确定所述电报在返回路径上的转发时刻，所述转发时间信息是在路由报头中的与各自分配节点相关联的数据部分中说明的。

但是，如果使用用于数据交换的协议而不是EtherCAT协议，在所述用于数据交换的协议中从机用户也可以处理路由报头，则不需要由分配节点在前向路径上从所述路由报头中除去相关联的数据段或由从机用户前面的最后一个分配节点除去整个剩余的路由报头。于是，所述路由报头可以始终保留在电报中并且仅由分配节点评估。

还可能的是，在协议被相应地设计用于数据交换并且从机用户被相应构造的情况下，所述从机用户评估由主机用户使用电报一起发送的路由报头，然后将所述路由报头转换为自己的电报，以便将其发送给所述主机用户。

原则上仅对于从所述从机用户到所述主机用户的返回路径，要由所述电报通过的分配节点才需要转发时间信息，该转发时间信息说明了应当何时在输入/输出接口上输出所述电报。由于主机用户可以以不出现冲突的方式控制电报输出，因此可以在返回路径上避免电报之间的冲突。但是，还可能的是，为了在分配节点中实现优化的电报吞吐量，用于所述分配节点的转发时间信息也为了电报输出而在前向路径上经由输入/输出接口一起发送。

Claims (11)

1.一种在具有至少一个分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)的通信网络中进行数据传输的方法，所述至少一个分配节点具有多个输入/输出接口，每个输入/输出接口都与网络段(M1，S1，S2，S3，S4，S5)连接，其中在第一网络段(M1)中布置有主机用户(M)，在第二网络段(S1，S2，S3，S4，S5)中布置有至少一个从机用户，其中所述主机用户(M)和所述从机用户之间的数据交换以电报的形式进行，所述电报由所述主机用户(M)发起，其中要从所述从机用户传送到所述主机用户的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含转发时间信息，即应当何时从所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)经由所述输入/输出接口朝着具有所述主机用户的第一网络段(M1)的方向输出相应的电报，以及其中所述转发时间信息由所述主机用户(M)设定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电报在从所述主机用户(M)开始到所述从机用户的封闭数据传输路径上、即在前向路径上传输，并且返回地传输、即在返回路径上传输，其中所述主机用户(M)为每个要从所述从机用户传送到所述主机用户(M)的电报产生数据首部块，所述数据首部块具有控制部分(TEL)和紧接着的针对每个要通过的分配节点的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)，

其中所述控制部分(TEL)包含电报标识，以及

其中与所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)相关联的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)包含用于所述电报的转发信息，所述转发信息实现了与具有所述主机用户(M)的第一网络段(M1)连接的输入/输出接口以及与具有所述从机用户的第二网络段(S1，S2，S3，S4，S5)连接的输入/输出接口的关联，以及所述转发信息包含转发时间信息，即应当何时从所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)经由所述输入/输出接口朝着具有所述主机用户(M)的第一网络段(M1)的方向输出所述电报。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电报的控制部分(TEL)具有计数器，所述计数器表明从所述主机用户(M)开始直到所述从机用户为止要由所述电报通过的分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)的数量，其中所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)在从所述主机用户(M)到所述从机用户的前向路径上被电报通过时递减所述计数器，并在从所述从机用户到所述主机用户(M)的返回路径上递增所述计数器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述电报从所述主机用户(M)到所述从机用户的前向路径上，所述分配节点CU1，CU2，CU3，CU4)在电报通过时从所述电报的数据首部块获取与所述分配节点相关联的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)，然后当所述计数器表明不再通过其他分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)时，附加地从所述电报的数据首部块中提取所述控制部分(TEL)，以及其中在所述电报从所述从机用户到所述主机用户(M)的返回路径上，所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)在电报通过时将与所述分配节点相关联的数据部分(D-CU1*，D-CU2*，D-CU3*)插入所述电报的数据首部块中，然后当所述电报没有控制部分(TEL)时，附加地将所述控制部分(TEL)插入所述电报的数据首部块中。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述电报的数据首部块中的数据部分包含命令信息，所述命令信息设定所述数据部分中其他数据的含义，其中所述命令信息在所述电报从所述主机用户(M)到所述从机用户的前向路径上向所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)表明，所述其他数据包括所述转发信息和所述转发时间信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述命令信息在所述电报从所述从机用户到所述主机用户(M)的返回路径上表明，所述其他数据包括诊断信息。

7.一种具有第一网络段(M1)和至少一个第二网络段(S1，S2，S3，S4，S5)以及至少一个分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)的通信网络，在所述第一网络段中布置有主机用户(M)，在所述至少一个第二网络段中布置有至少一个从机用户，所述至少一个分配节点具有多个输入/输出接口，其中第一输入/输出接口与所述第一网络段(MI)连接，而第二输入/输出接口与所述第二网络段(S1，S2，S3，S4，S5)连接，

其中所述主机用户(M)被设计为以电报的形式发起与所述从机用户的数据交换，

其中要从所述从机用户传送到所述主机用户(M)的电报分别与控制数据相关联，所述控制数据包含转发时间信息，即应当何时从所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)经由所述输入/输出接口朝着具有所述主机用户(M)的第一网络段(M1)的方向输出相应的电报，以及

其中所述主机用户(M)被设计为设定所述转发时间信息。

8.根据权利要求7所述的通信网络，其中，所述电报在从所述主机用户(M)开始到所述从机用户的封闭数据传输路径上、即在前向路径上传输，以及返回地传输、即在返回路径上传输，

其中所述主机用户(M)被设计为，其为每个要从所述从机用户传送到所述主机用户(M)的电报产生数据首部块，所述数据首部块具有控制部分(TEL)和紧接着的针对每个要通过的分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)，

其中所述控制部分(TEL)包含电报标识，以及

其中与所述分配节点相关联的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)包含用于所述电报的转发信息，所述转发信息实现了与具有所述主机用户(M)的第一网络段(M1)连接的输入/输出接口以及与具有所述从机用户的第二网络段(S1，S2，S3，S4，S5)连接的输入/输出接口的关联，并且所述转发信息包含转发时间信息，即应当何时从所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)经由所述输入/输出接口朝着具有所述主机用户(M)的第一网络段(M1)的方向输出所述电报。

9.根据权利要求8所述的通信网络，其中，所述电报的控制部分(TEL)具有计数器，所述计数器表明从所述主机用户(M)开始直到所述从机用户为止要由所述电报通过的分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)的数量，其中所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)被设计为，在从所述主机用户(M)到所述从机用户的前向路径上被电报通过时使所述计数器递减，并在从所述从机用户到所述主机用户(M)的返回路径上使所述计数器递增。

10.根据权利要求9所述的通信网络，其特征在于，所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)被设计为，在所述电报从所述主机用户(M)到所述从机用户的前向路径上，在电报通过时从所述电报的数据首部块获取相应相关联的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)，然后当所述计数器表明不再通过其他分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)时，附加地从所述电报的数据首部块中获取所述控制部分(TEL)，并且其中所述分配节点(CU1，CU2，CU3，CU4)被设计为，在所述电报从所述从机用户到所述主机用户(M)的返回路径上，在电报通过时将相应相关联的数据部分(D-CU1，D-CU2，D-CU3)插入所述电报的数据首部块中，然后当所述电报没有控制部分(TEL)时，附加地将所述控制部分(TEL)插入所述电报的数据首部块中。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的通信网络，其中，所述自动化通信网络是基于以太网的现场总线系统，特别是EtherCAT现场总线系统。

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