DE102005037376B3 - Verfahren zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames in Verbindung mit Standard-Ethernet - Google Patents

Verfahren zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames in Verbindung mit Standard-Ethernet Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebige Ethernet-Frames mit insbesondere einem Zeitstempel zu versehen, wobei nach IEEE 802.X definierte Standard-Ethernet-Controller verwendbar sind. Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Methode derart gelöst, dass zwischen einem im RAW-Mode betriebenen Ethernet-Controller und einem "Physical Layer" der Stempel in einen Bereich der Media-Access-Control-(MAC)-Zieladresse abgelegt wird, während die Original-MAC-Zieladresse vorteilhafterweise in dem verbliebenen Bereich kodiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames in Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Controller.
  • Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung kommt in lokalen Netzwerken, insbesondere in verteilten Systemen in der Automation, für die eine präzise Zeitbasis wichtig ist, zum Einsatz. Unter Automatisierungssystemen sind hier Systeme zu verstehen, welche mit Hilfe technischer Mittel bestimmte Operationen ohne Einflussnahme des Menschen teilweise oder ganz nach vorgegebenen Programmen durchführen. Operationen bezeichnen in diesem Zusammenhang z.B. Fertigungsprozesse, Montageprozesse, Transportprozesse, Prozesse zur Qualitätskontrolle etc., die insbesondere im industriellen Umfeld ablaufen.
  • Eine hochgenaue Synchronisation am Ethernet wie durch das in IEEE 1588 spezifizierte Precision-Time-Protocol (PTP) benötigt eine Zeitstempelung der Ethernet-Telegramme zum Empfangszeitpunkt. Eine Verlängerung der Telegramme, um den Stempel anzufügen, wird von den Media-Access-Controllern (MACs) nicht unterstützt.
  • Die bekannten Lösungen legen den Zeitstempel als Präfix oder als Postfix am Ethernet-Frame ab, wodurch Standard-Ethernet-Controller nicht mehr verwendet werden können. Dieses Problem wird durch eine zusätzliche Hardware proprietär gelöst, die üblicherweise am Media-Independent-Interface (MII) zwischen einem Ethernet-Controller und einem „Physical Layer" (PHY) angeschlossen wird.
  • Aus US 2003/0115369 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem einer Vielzahl von an einem Netzwerk angeschlossenen Geräten mittels eines „Zeitraum-Paketes", das den Anfang eines Frames mit einer Vielzahl von Zeitfenstern kennzeichnet, die besagten Zeitfenster zusammen mit einem Offset und der Dauer des jeweiligen Zeitfensters zugewiesen werden, während der Pakete auf das Netzwerk gesendet werden dürfen. Die „Zeitraum-Pakete" selbst sind dabei z.B. Standard-Ethernet-Frames, wobei die Informationen über die Zeitfenster gewissermaßen die Anwendungsdaten des Ethernet-Frames darstellen. Die eigentliche Zeitstempelung zur Synchronisation erfolgt hierbei durch einen Regler, der die in einem Bus-Adapter des jeweiligen Gerätes ankommenden „Zeitraum-Pakete" mit einem Zeitstempel versieht, nachdem der im Adapter enthaltene Media-Access-Controller die Header der Ethernet-Frames entfernt hat.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebige Ethernet-Frames mit einem Stempel, insbesondere einem Zeitstempel zu versehen, wobei durch den allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X definierte Standard-Ethernet-Controller verwendbar sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames in Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Controller gelöst, wobei der Ethernet-Controller in einem so genannten RAW-Mode betrieben wird, in dem z.B. keine Filterung auf eine Media-Access-Control (MAC)-Zieladresse durchgeführt wird, und der Stempel in einen Bereich der MAC-Zieladresse des Ethernet-Frames eingetragen wird.
  • Diese Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames in Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Controller gelöst, wobei die Vorrichtung zwischen einem in einem so genannten RAW-Mode, in dem z.B. keine Filterung auf eine Media-Access-Control (MAC)-Zieladresse durchgeführt wird, betriebenen Ethernet-Controller und einem „Physical Layer" (PHY) vorgesehen ist und Mittel zur Eintragung des Stempels in einen Bereich der MAC-Zieladresse des Ethernet-Frames enthält.
  • Jeder Ethernet-Controller unterstützt den so genannten RAW-Mode, in dem die Prüfungen des Ethernet-Telegramms auf ein Minimum beschränkt sind. Betreibt man den Ethernet-Controller in diesem Mode und verlagert die Prüfung der MAC-Zieladresse in die Vorrichtung zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames, so steht die MAC-Zieladresse mit ihren 6 Byte für den Stempel zur Verfügung. Durch den gewählten Ort der Vorrichtung zwischen Ethernet-Controller und PHY kann die Vorrichtung den Datenstrom zwischen Ethernet-Controller und PHY beliebig manipulieren.
  • In einer besonders vorteilhaften Form der Ausführung sind für den Stempel vier Byte der sechs Byte langen MAC-Zieladresse vorgesehen, während die restlichen zwei Byte die Original-MAC-Zieladresse kodieren, wodurch der volle Funktionsumfang der MAC-Zieladresse, wie z.B. mehrere Unicast-Adressen oder zusätzliche Multicast-Adressen, erhalten bleibt, da durch eine Software an jedem Ethernet-Controller der Stempel entnommen und der Ethernet-Frame wieder mit der Original-MAC-Zieladresse versehen werden kann.
  • In einer ebenso vorteilhaften Form der Ausführung ist die Vorrichtung ebenso wie der PHY über Lesen und Schreiben durch das Seriell-Management-Interface- (SMI-) Protokoll des in dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X vorgeschriebenen Media-Independent-Interface (MII) steuerbar, durch das ein Adressraum von 32x32x2 Byte Lesend und Schreibend adressierbar ist, und für ihre Steuerung z.B. der Adressraum (28-31)xYYx2 Byte vorgesehen ist, wodurch noch weitere 28 PHYs [(0-27)xYYx2 Byte] ansteuerbar bleiben.
  • Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung Mittel zur Eintragung des Zeitstempels für das in IEEE 1588 spezifizierte Precision-Time-Protocol (PTP) auf. Diese Funktionalität steht an jedem denkbaren Ethernet-Controller mit SMI zur Verfügung.
  • Bei vielen Protokollen für Ethernet sind Multicast-Telegramme vorgesehen. Dabei ist die Vorrichtung vorteilhafterweise als Vorfilter zur Lastreduktion am lokalen Interface verwendbar.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
  • 1 Vorrichtung zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames zwischen Ethernet-Controller und Physical Layer
  • 2 Einen nach dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X definierten Ethernet-Frame
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur Stempelung 1 beliebiger Ethernet-Frames zwischen einem beliebigen Ethernet-Controller 2 (z.B. TriCore oder Net-Arm) und einem beliebigen Physical Layer 3 (z.B. Intel oder AMD). Jeder Ethernet-Controller unterstützt das in dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X vorgeschriebene Media Independent Interface (MII) 5 mit seinem Seriell Management Interface (SMI) 4. Die Steuerung der Vorrichtung zur Stempelung 1 erfolgt wie die des Physical Layer 3 über Lesen und Schreiben durch das SMI-Protokoll.
  • 2 zeigt einen nach dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X definierten Ethernet-Frame. Dabei zählt das Präambel-Feld schon dem Namen nach nicht zum eigentlichen Ethernet-Frame, ebenso wie der sich anschließende Start Frame Delimiter (SFD), der mit der Sequenz 10101011 den Beginn des eigentlichen Ethernet-Frames markiert. Dieser beginnt mit der im erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Media-Access-Control- (MAC-) Zieladresse und der darauf folgenden MAC-Quelladresse. Die Länge des optionalen VLAN-Feldes variiert je nach Standard und beträgt z.B. in der IEEE 802.1Q-Norm 4 Bytes. Das eigentliche Daten-Feld hat eine Mindestlänge von 46 Byte, ihm folgt die Frame Check Sequence (FCS), die den Ethernet-Frame beschließt. Sie enthält einen Wert, der mittels eines Cyclic Redundancy Checks berechnet wird.
  • Durch den gewählten Ort am MII ist das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung unabhängig von der physikalischen Übertragungsart, Glasfaser oder Kupfer, und von der Übertragungsgeschwindigkeit, 10 MBd bis 10 GBd, da in allen Betriebsarten ein MII bzw. GMII im allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X definiert ist.
  • Weitere Vorteile der genannten Ausführungsformen liegen in der einfachen Hardware-Integration, den geringen Kosten und in den vielen Nutzungsmöglichkeiten.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Stempelung beliebiger Ethernet-Frames. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebige Ethernet-Frames mit insbesondere einem Zeitstempel zu versehen, wobei nach IEEE 802.X definierte Standard-Ethernet-Controller verwendbar sind. Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Methode derart gelöst, dass zwischen einem im RAW-Mode betriebenen Ethernet-Controller und einem „Physical Layer" der Stempel in einen Bereich der Media-Access-Control (MAC)-Zieladresse abgelegt wird, während die Original-MAC-Zieladresse vorteilhafterweise in dem verbliebenen Bereich kodiert wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames in Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Controller (2), dadurch gekennzeichnet, – dass der Ethernet-Controller (2) in einem derartigen Modus betrieben wird, in dem keine Filterung auf eine MAC-Zieladresse durchgeführt wird, und – dass der Stempel in einen Bereich der MAC-Zieladresse des Ethernet-Frames eingetragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Stempel vier Byte der sechs Byte langen MAC-Zieladresse vorgesehen sind und die restlichen zwei Byte die Original-MAC-Zieladresse kodieren.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Prüfung der MAC-Zieladresse und die Stempelung der Ethernet-Frames in einer zusätzlichen Vorrichtung (1) vorgenommen werden, die zwischen dem Ethernet-Controller (2) und einem Physical Layer (3) vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Steuerung der zusätzlichen Vorrichtung (1) ebenso wie die des Physical Layer (3) über Lesen und Schreiben durch das Seriell-Management-Interface- (4) Protokoll des in dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X vorgeschriebenen Media-Independent-Interface (5) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stempel als Zeitstempel ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1) zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames in Verbindung mit einem Standard-Ethernet-Controller (2), dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung (1) zwischen dem in einem derartigen Modus, in dem keine Filterung auf eine MAC-Zieladresse durchgeführt wird, betriebenen Ethernet-Controller (2) und einem Physical Layer (3) vorgesehen ist und – dass die Vorrichtung (1) Mittel zur Eintragung des Stempels in einen Bereich der MAC-Zieladresse enthält.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei für den Stempel vier Byte der sechs Byte langen MAC-Zieladresse vorgesehen sind und die restlichen zwei Byte die Original-MAC-Zieladresse kodieren.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Vorrichtung (1) ebenso wie der Physical Layer (3) über Lesen und Schreiben durch das Seriell-Management-Interface- (4) Protokoll des in dem allgemeinen Ethernet-Standard IEEE 802.X vorgeschriebenen Media-Independent-Interface (5) steuerbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung (1) Mittel zur Eintragung des Zeitstempels für das in IEEE 1588 spezifizierte Precision-Time-Protocol aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Vorrichtung (1) bei Verwendung eines Ethernet-Protokolls, bei dem Multicast-Telegramme vorgesehen sind, als Vorfilter zur Lastreduktion am lokalen Interface verwendbar ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Stempel als Zeitstempel ausgebildet ist.
  12. System zur Einbringung eines Stempels in beliebige Ethernet-Frames mit mindestens einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11.
  13. System nach Anspruch 12, wobei das System mindestens einen Ethernet-Controller (2) aufweist.
  14. System nach Anspruch 12, wobei das System mindestens einen Physical Layer (3) aufweist.
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