DE102005024476A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion der Latenzzeit und Erhöhung von Durchsatz und zulässiger Ausdehnung in räumlich verteilten bitarbitrierenden Netzwerken - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion der Latenzzeit und Erhöhung von Durchsatz und zulässiger Ausdehnung in räumlich verteilten bitarbitrierenden Netzwerken Download PDF

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion der Kommunikationslatenzzeit, Erhöhung der Datenrate und zulässigen Ausdehnung in Kommunikationsnetzwerken mit bitweiser Arbitrierung des Buszugriffs, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bitweise arbitrierenden Netzwerkes durch einen aus mehreren Protokollwandlern bestehenden räumlich verteilten Router ersetzt wird, dessen Teilkomponenten über ein nicht bitweise arbitrierendes Kommunikationsverfahren mit Echtzeiteigenschaften verbunden sind.

Description

  • Bitweise arbitrierende Kommunikationsnetzwerke werden für Meß-, Steuerungs- und Automatisierungsaufgaben in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Anwendungen von bitweise arbitrierenden Protokollen finden sich beispielsweise in der Maschinenautomatisierung, in der Gebäudeautomatisierung und in der Verkehrstechnik. Ein bekanntes und weit verbreitetes bitweise arbitrierendes Netzwerk ist CAN (Controller Area Network).
    •
  • Bitweise arbitrierende Netzwerke bieten grundsätzlich den Vorteil eines latenzarmen Zugriffs auf das Übertragungsmedium und eignen sich besonders für die Implementierung von Multi-Master-Systemen. Allerdings unterliegen sie aufgrund der begrenzten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals auf dem Übertragungsmedium und der Notwendigkeit zur Synchronisation des Mediumzugriffs innerhalb einer Bitzeit der Problematik, daß bei steigender Ausdehnung die Bitzeit verlängert und damit die Übertragungsgeschwindigkeit gesenkt werden muß. Dies führt zur Verringerung der Nutzbandbreite des Kommunikationssystems und in Folge zur Verlängerung der Belegung des Mediums für die Übertragung einer gewissen Informationsmenge. Daraus ergibt sich bei ausgedehnten Systemen eine Erhöhung der Übertragungslatenzzeit und eine Reduktion des maximalen Datendurchsatzes.
    •
  • Diese Einschränkung wird erfindungsgemäß gelöst, indem das gesamte Kommunikationsnetzwerk in mehrere Segmente geteilt und einzelne Segmente durch Router mit räumlich verteilten aktiven Komponenten (Protokollwandler) ersetzt werden. Die Komponenten des räumlich verteilten Routers werden durch Übertragungsmechanismen verbunden, die entweder bidirektional im Vollduplexbetrieb durch Aufteilung der Kommunikation auf unidirektionale Übertragungsstrecken mit entgegengesetzter Übertragungsrichtung oder im Fall der Nutzung eines gemeinsamen Mediums entweder im Frequenzmultiplex oder im Zeitmultiplex mit anderen als bitarbitrierenden Zugriffsverfahren arbeiten. Die durch Teilung des Gesamtsystems in Segmente entstehenden kürzeren Teilsegmente mit bitweise arbitrierendem Zugriffsverfahren auf das Medium können mit höheren Datenraten betrieben werden, als dies für ein durchgehend bitarbitrierendes Kommunikationsnetzwerk möglich wäre. Im Ergebnis kann ein erfindungsgemäß aufgebautes System im Vergleich mit einem unsegmentierten bitarbitrierenden Gesamtsystem höhere Systembandbreite und reduzierte Latenzzeit bei höheren Datenraten in den verbleibenden bitarbitrierten Teilnetzen erreichen.

Claims (27)

  1. Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion der Kommunikationslatenzzeit, Erhöhung der Datenrate und zulässigen Ausdehnung in Kommunikationsnetzwerken mit bitweiser Arbitrierung des Buszugriffs, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bitweise arbitrierenden Netzwerkes durch einen aus mehreren Protokollwandlern bestehenden räumlich verteilten Router ersetzt wird, dessen Teilkomponenten über ein nicht bitweise arbitrierendes Kommunikationsverfahren mit Echtzeiteigenschaften verbunden sind.
  2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verteilte Router aus zwei Protokollwandlern besteht, die jeweils an eines der durch die Teilung entstandenen Segmente des bitweise arbitrierenden Netzwerkes gekoppelt sind.
  3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verteilte Router aus mehr als zwei Protokollwandlern besteht, die jeweils an eines der durch die Teilung entstandenen Segmente des bitweise arbitrierenden Netzwerkes gekoppelt sind.
  4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikationsverbindung zwischen den Komponenten des Routers mit einem ungesicherten Protokoll realisiert ist.
  5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikationsverbindung zwischen den Komponenten des Routers mit einem fehlererkennenden Protokoll realisiert wird, fehlerhafte Daten mit der Erkennungswahrscheinlichkeit des fehlererkennenden Protokolls erkannt und verworfen werden und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Übertragung fehlerhafter Daten in Segmente des bitweise arbitrierenden Netzwerkes reduziert wird.
  6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikationsverbindung zwischen den Komponenten des Routers mit einem fehlererkennenden und fehlersichernden Protokoll realisiert wird, fehlerhafte oder verlorene Daten mit der protokollspezifischen Erkennungswahrscheinlichkeit erkannt und erneut übertragen werden und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Übertragung fehlerhafter Daten in Segmente des bitweise arbitrierenden Netzwerkes sowie des Verlustes von Daten reduziert wird.
  7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß fehlerhaft übertragene Daten im Empfänger verworfen werden und die Korrektur durch jene Mechanismen der Fehlersicherung erfolgt, die für die Neuübertragung der Daten im Falle des Verlustes zuständig sind.
  8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eines Datenpaketes den Empfang gegenüber dem Sender bestätigt und der Sender Telegramme, die nicht innerhalb einer voreingestellten Zeit bestätigt wurden, wiederholt.
  9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zwischen den Komponenten des räumlich verteilten Routers durch elektrische Signale auf leitfähigen Medien erfolgt.
  10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zwischen den Komponenten des räumlich verteilten Routers durch sichtbares oder unsichtbares Licht im freien Raum erfolgt.
  11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zwischen den Komponenten des räumlich verteilten Routers durch sichtbares oder unsichtbares Licht in einem oder mehreren Lichtleitern erfolgt.
  12. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zwischen den Komponenten des räumlich verteilten Routers durch ein echtzeitfähiges Funksystem erfolgt.
  13. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 9–11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung auf getrennten Übertragungswegen (mindestens ein Übertragungsweg je Richtung) erfolgt und keine Arbitrierung auf dem Medium erforderlich ist (Full-Duplex).
  14. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 9–12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung arbitrierungsfrei bidirektional auf einem gemeinsamen Medium mit Trennung der Signale der Übertragungsrichtungen durch je Übertragungsrichtung unterschiedliche, jedoch fest eingestellte Frequenzen erfolgt.
  15. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 9–12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung zeitlich alternierend auf einem gemeinsamen Medium mit einem zeitscheiben- oder tokenbasierenden Arbitrierungsverfahren erfolgt.
  16. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–15, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Daten asynchron seriell mittels eines zeichenorientierten Protokolls ähnlich RS-232/RS-485 erfolgt.
  17. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–15, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Daten mittels eines paketorientierten Protokolls erfolgt.
  18. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein paketorientiertes Protokoll nach Ethernet-Standard zum Einsatz kommt.
  19. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 17, 18, dadurch gekennzeichnet, daß Pakete nach UDP/IP-Standard genutzt werden.
  20. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 17–19, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Paket genau ein Telegramm des bitarbitrierenden Protokolls oder, sofern für Mechanismen zur Datensicherung erforderlich, eine Bestätigung für Telegrammübertragungen in der Gegenrichtung übertragen wird.
  21. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 17–19, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Paket lastabhängig kein, ein oder mehrere Telegramme des bitarbitrierenden Protokolls und, sofern für Mechanismen zur Daten sicherung erforderlich, kein, ein oder mehrere Bestätigungen für Telegrammübertragungen in der Gegenrichtung übertragen werden.
  22. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–21, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem bitweise arbitrierenden Netzwerk um ein CAN-Netzwerk handelt.
  23. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkürzung der Übertragungslatenzzeit zur Erreichung und Sicherstellung kurzer Sicherheitszeiten in sicheren Kommunikationssystemen genutzt wird.
  24. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 22, 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation in den bitarbitrierenden Segmenten für den Einsatz in Systemen nach Standard SafetyBUS p ausgelegt ist,
  25. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 22, 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation in den bitarbitrierenden Segmenten für den Einsatz in Systemen nach Standard CANopen Safety ausgelegt ist.
  26. Computerprogramm, das auf einem Rechengerät ablauffähig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–25 geeignet ist, wenn es auf dem Rechengerät läuft.
  27. Computerprogramm nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Computerprogramm auf einem Speicherelement abgespeichert ist.
DE102005024476A 2005-05-24 2005-05-24 Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion der Latenzzeit und Erhöhung von Durchsatz und zulässiger Ausdehnung in räumlich verteilten bitarbitrierenden Netzwerken Withdrawn DE102005024476A1 (de)

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