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Stand der Technik:
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Hersteller
von Switches versuchen das beste Verhältnis zwischen guter Bandbreitenverteilung
und einfacher Umsetzung der Queuing-Strategien zu finden. Prof.
Dr. Bernhard G. Stütz
und Dipl.-Ing. Toralf Rungevon von der Fachhochschule Stralsund
beschreiben in ihrem Beitrag „REAL-TIME-CORE-
UND -EDGE-SWITCHES Klassengesellschaft im Netz – die Theorie" in network Computing
vom 17.03.2004 den Stand der Technik.
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Nach
dem Stand der Technik folgen die Queuing- oder Scheduling-Strategien
den Prinzipien:
- • einer fairen Verteilung der
Bandbreite auf die verschiedenen Serviceklassen. Dabei wird auch die
Bandbreite für
besondere Dienste berücksichtigt,
so dass es zu bestimmten Gewichtungen bei der Fairness kommen kann.
- • Schutz
zwischen den verschiedenen Serviceklassen. Eine Serviceklasse mit
geringer Priorität darf
nicht Queues anderer Serviceklassen beeinflussen.
- • nicht
genutzte Bandbreite wird anderen Queues zur Verfügung gestellt.
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Bekannte Queuing Strategien
für Switches:
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- • First-In
First-Out (FIFO),
- • Stirct-Priority-Queuing
(SPQ)
- • Stirct-
und Rate-Controlled-Priority-Queuing (PQ),
- • Fair-Queuing
(FQ),
- • Weighted-Fair-Queuing
(WFQ),
- • Weighted-Round-Robin-Queuing
(WRR), auch als Class-Based-Queuing (CBQ) bezeichnet und
- • Deficit-Weighted-Round-Robin-Queuing (DWRR).
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Diese
bekannten Queuing Strategien von Switches werden in ihrem Verhalten
einerseits durch die First-In First-Out- und andererseits durch
die Stirct-Priority-Queuing Strategie abgegrenzt. Alle anderen bekannten
Verfahren stellen in ihrer Wirkung mehr oder weniger eine Mischung
dieser beiden Strategien dar.
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Betrachtungen
in der Automatisierung berücksichtigen
immer den schlechtesten Fall. Es nützt wenig best case Zeiten
oder typische Zeiten zu betrachten, wenn dann im Betrieb einer Anlage
statistisch verteilt Nachrichten später als im typischen Fall ihren
Empfänger
erreichen und zum Maschinen- bzw. Anlagenstillstand oder Schäden führen.
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1 zeigt
zwei Automatisierungsgeräte
A1 und A2. Switch 1 ist über
Port 1 mit A1 verbunden und Switch 2 ist über Port 3 mit A2 verbunden.
Die Switches 1 und 2 sind über
ihre jeweiligen Ports 1 bzw. 3 miteinander verbunden. Automatisierungsgerät A1 ist
Sender des Automatisierungstelegramms. Automatisierungsgerät A2 ist
der adressierte Empfänger
des Automatisierungstelegramms. Zum dargestellten Zeitpunkt a) leitet
Switch 1 ein beliebiges Nachrichtentelegramm, empfangen an Port
2, über Port
3 an Switch 2 weiter. Bevor das Automatisierungstelegramm in Switch
1 über
Port 1 einläuft, empfängt Switch
1 an Port 4 ein weiteres beliebiges Nachrichtentelegramm, welches über Port
3 an Switch 2 weitertransportiert werden muss.
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2 zeigt
als Fortsetzung von 1 in zeitlichen Ablaufschritten
a) bis e) den Nachrichtenverkehr nach der First-In First-Out (FIFO)
Queuingstrategie. Da beide Nachrichtentelegramme zeitlich vor dem
Automatisierungstelegramm Switch 1 erreichen, müssen sie nach dem FIFO Prinzip
auch vor dem Automatisierungsprotokoll weitergeleitet werden.
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Switches,
die nach der First-In First-Out (FIFO) Strategie verfahren, sind
für die
Automatisierung gänzlich
untauglich, da auf der abgebildeten Nachrichtenstrecke in 1 bzw. 2 beliebig
einlaufende Nachrichtentelegramme Automatisierungstelegramme verdrängen können. Diese
Verdrängungs-
bzw. Verzögerungszeiten
lassen sich nur sehr schlecht abschätzen. Im Beispiel der 1 bzw. 2 wurde
modellhaft angenommen, dass nur jeweils ein Nachrichtentelegramm
zeitlich vor dem Automatisierungstelegramm in einen Switch einläuft, und
nur ein Nachrichtentelegramm sich im Speicher des Switches bzw.
in der Queue befindet. Es ist leicht nachvollziehbar, dass je nach
Speicherkapazität
der verwendeten Switches die Verzögerung der hochprioren Automatisierungstelegramme
aufgrund zu langer Verweilzeit im Netzwerk zu deren Verlust führen kann.
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Die
Priorisierung von Datenströmen
ist heute entscheidend für
die effiziente Nutzung von Ethernetnetzwerken. Internet-Telefonie
(Voice over IP) wäre ohne
Priorisierung nicht denkbar.
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IEEE
802.1p definiert ein Verfahren für
die Priorisierung von Daten auf dem OSI-Layer 2. Die dafür notwendigen Änderungen
im Header beschreibt IEEE 802.1Q. Switches lesen die jeweils zugeordnete
Priorisierung aus den Headern der Nachrichtenpakete aus.
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Im
MAC-Header nach IEEE 802.1Q befindet sich hierfür das Tag Control Information
(TCI) Feld. Im TCI sind drei Bits für die User Priority (Class
of Service) vorgesehen. Mit diesen drei Bits lassen sich acht Werte
(0 bis 7) abbilden. Null steht für
die geringste Priorität,
Sieben für
die höchste
Priorität.
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Jeder
Priorität
ist eine Verkehrsklasse (traffic type) zugeordnet. Z. B. ist die
höchste
Priorität
(Wert 7) für
die Kontrolle und das Management des Netzwerks selbst reserviert.
Die zweithöchste
Priorität (Wert
6) ist für
interactive voice (vioce over IP) Anwendungen reserviert:
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Verkehrsklassen nach Priorität:
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- 1. Network Control; High requirement to get
through to maintain and support the network infrastructure
- 2. Voice; less than 10 millisecond delay
- 3. Video; less then 100 millisecond delay
- 4. Controlled Load; some important application
- 5. Excellent Effort; Best Effort for important users
- 6. Best Effort; ordinary LAN priority
- 7. Background; bulk transfers, games etc.
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Nach
der Stirct-Priority-Queuing Strategie werden alle einlaufenden Nachrichtentelegramme auf
ihre Priorität überprüft und in
die entsprechenden Queues eingeordnet. Erst wenn die Queue mit höchster Priorität „geleert" ist, werden Queues
niederer Priorität
behandelt. Hiermit wird sichergestellt, dass zeitlich früher eingelaufene
Nachrichtentelegramme mit niederer Priorität, welche sich noch im Speicher
des Switches (in der Queue) befinden, von einlaufenden höher priorisierten
Nachrichtentelegrammen „überholt" werden. Großer Nachteil
dieser Queuingstrategie ist, dass Nachrichtentelegramme niederer
Priorität
bei hohen Datenströmen
von hochprioren Nachrichtentelegrammen nicht mehr ihr Ziel erreichen.
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Würde man
entgegen den Festlegungen in der IEEE 802.1p/Q die höchsten Prioritäten für Automatisierungstelegramme
nutzen, würden
diese Telegramme im statistischen Mittel ihr Ziel früher erreichen,
als mit allen anderen oben aufgeführten Queuing Strategien. Jedoch
müssten
sich dann die Automatisierungstelegramme eine Priorität mit im
Standard IEEE 802.1p/Q beschriebenen Verkehrsklassen wie z. B. voice
over IP teilen. Das Echtzeitverhalten ist nur schlecht abschätzbar, da
die von voice over IP beanspruchte Bandbreite sehr stark schwankt.
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Würden im
Gegensatz zum Standard IEEE 802.1p/Q die Prioritätsklassen zu Gunsten einer
Automatisierungstelegrammklasse neu verteilt, müssten spezielle Router die
Automatisierungsinseln abschotten und die Prioritätsklassen
ständig
allen ein- und auslaufenden Telegrammen neu zuordnen. Eine Akzeptanz
im Markt darf bezweifelt werden.
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Aufgabenstellung:
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein optimiertes Echtzeitkommunikationsverhalten
durch Koppeleinheiten in einem Ethernetnetzwerk zu erzeugen, wobei
Automatisierungstelegramme im Gegensatz zu allen anderen Telegrammen
exklusiv bevorzugt im Netzwerk transportiert werden.
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Die
Zeiten zur Nachrichtenübertragung
müssen
mindestens mit hoher Qualität
abschätzbar
sein oder zeitlich determiniert werden können.
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Dies
soll unabhängig
von den Standards der achtstufige Priorisierung auf ISO Layer-2
nach IEEE 802.1p/Q geschehen, da hier keine Verkehrsklassen für Automatisierungstelegramme
definiert sind und eine wider den Standard gerichtete Nutzung von
Verkehrsklassen im Markt wenig Akzeptanz finden würde.
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Auch
soll eine exklusive Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen auf ISO
Layer-3 ermöglicht werden,
wobei die Telegrammkennung im IP Header oder UDP Header oder im
TCP Header zu finden ist.
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Darüber hinaus
soll der Betrieb dieser Koppeleinheiten in isochronen Ethernetnetwerken,
wie z. B. Profinet IRT (siehe Profinet Systembeschreibung www.profibus.com),
ermöglicht
werden.
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Prinzipielle Ausführung:
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Ein
Verfahren zur exklusiven Bevorzugung von Automatisierungstelegrammen
ist realisierbar, ohne dass nieder priorisierte Nachrichten unfair
unterdrückt
werden. Im Gegensatz zu Anwendungen wie Interactive Voice, Interactive
Multimedia, Streaming Multimedia oder „normalem" Internetverkehr ist die benötigte Bandbreite
für Automatisierungsvorhaben
relativ genau planbar und über
die Zeit konstant. In der Automatisierung werden etwa 90 % der Nachrichten
zyklisch mit konstanter Länge übertragen. Hieraus
lässt sich
sehr genau die Netzlast in einem Netzwerk abschätzen. Diese Erfahrung ist in über 15 Jahren
Feldbusgeschichte bestätigt
worden. Profibus DP und Interbus S seien hier beispielhaft als bekannte
Standards genannt.
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Automatisierung
mit Ethernet funktioniert nicht anders. Das Master-Slave Prinzip
der Feldbustechnik wird in den meisten Philosophien durch ein Producer-Consumer
Prinzip abgelöst.
Profinet ist wohl zurzeit der bekannteste Standard, welcher auf diesem
Prinzip aufbaut. Sensoren „publizieren" (Producer) in festen
Zeiten, welche einstellbar sind, ihre Daten im Ethernetnetzwerk.
Die Steuerungen oder Verarbeitungseinheiten „konsumieren" als Empfänger diese
Daten und „publizieren" wiederum das Ergebnis
ihrer Verarbeitung ins Netzwerk. Aktoren wie zum Beispiel Antriebe „konsumieren" diese Ergebnisse
und führen
entsprechende Funktionen aus. Dieser gesamte Ablauf kann sehr genau
geplant werden. Damit ist die beanspruchte Bandbreite für Automatisierungstelegramme
im Ethernet berechenbar.
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Werden
nun Automatisierungstelegramme exklusiv bevorzugt im Ethernetnetzwerk übertragen, ist
die verbleibende Bandbreite für
den Standard Internetverkehr ebenfalls relativ konstant und steht
zuverlässig
zur Verfügung.
Darüber
hinaus kann die exklusive Bevorzugung von Automatisierungstelegrammen
mit o. g. Queuingstrategien nahezu rückwirkungsfrei kombiniert bzw. überlagert
werden. Wenn man von einer reduzierten Bandbreite für den normalen
Internetverkehr einmal absieht, wird der priorisierte Nachrichtenverkehr,
z. B. mit VLAN tag nach IEEE 802.1p/Q, nicht beeinflusst. Vergleichbar
ist dies mit einem Netzwerk, das mit nur reduzierter Übertragungsfrequenz
arbeitet.
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Erfindungsgemäß ist deshalb
die Nutzung einer Telgrammkennung zwecks exklusiver Bevorzugung
von Automatisierungstelegrammen, welche nicht die nach IEEE 802.1p/Q
standardisierten Kennungen nutzt, vorteilhaft, da sie sich die Art
des bevorzugten Nachrichtentransports mit keiner anderen Klasse
teilen muss und nicht die Festlegung der Verkehrsklassen der Standards
verletzt.
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Wichtige
Kommunikationsstandards wie Profinet, Ethernet IP und Modbus TCP
sind eindeutig in ihren Protokollheadern gekennzeichnet. Z. B. sind Profinettelegramme
im Ethertype mit 8892 (hexadezimal) gekennzeichnet (siehe 3).
Normaler Internetverkehr dagegen trägt die Kennung 0800. Darüber hinaus
können
Automatisierungstelegramme im 12 Bit breiten VLAN-ID Feld des 4
Byte großen VLANs
individuell gekennzeichnet werden.
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Durch
Auswertung der in eine Koppeleinheit einlaufenden Telegramme lassen
sich Automatisierungstelegramme eindeutig identifizieren und damit exklusiv
bevorzugt weiterleiten. Die Bevorzugung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Automatisierungstelegramme mit höchster Priorität weitergeleitet werden.
Erst wenn die Queue der exklusiv zu bevorzugenden Automatisierungstelegramme
geleert wurde, werden Queues mit anderen Nachrichtentelegrammen
bearbeitet.
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Da
Automatisierungstelegramme getrennt von bandbreitenintensiven Verkehrklassen
nach IEEE 802.1p/Q wie z. B. voice over IP bearbeitet werden, wird
ein Mischbetrieb mit diesen Verkehrsklassen vermieden. Auch die
Manipulation bzw. ständige Übersetzung
von Telegrammkennungen durch Router ist nach diesem Verfahren nicht
notwendig. Alle anderen Verkehrsklassen lassen sich ungestört mit der
jeweils besten Queuing Strategie bearbeiten. Die Weiterentwicklung
von weiteren optimierten Queuing Strategien für den Internetverkehr wird
damit nicht behindert.
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In 4 ist
die erfindungsgemäße exklusive Bevorzugung
von Nachrichtentelegrammen in den Schritten a) bis d) dargestellt.
Hier sind n = 4 Koppeleinheiten beispielhaft, wie in der Industrieautomation üblich, in
einer Linie angeordnet. Automatisierungsgerät A1 möchte ein Automatisierungstelegramm
an Automatisierungsgerät
A2 absetzen. Im Unterschied zur FIFO Queuingstrategie werden jetzt
alle Nachrichtentelegramme, die sich noch in den Queues befinden
von Automatisierungstelegrammen in den Koppeleinheiten überholt.
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Beispiele:
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Unter
der realistischen Annahme, dass die Koppeleinheiten eine Durchlaufzeit
von td = 3 μsec (Cut-Through) besitzen und
unter Vernachlässigung der
Signallaufzeiten auf den Leitungen und des Interframe gap's ergibt sich für das hochpriore
Automatisierungstelegramm mit einer Gesamtlänge von 64 Byte (Tk =
ca. 5 μsec
Laufzeit bei 100 Mbit/sec) folgender Übertragungszeitplan:
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1. Bester Fall
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Das
Netzwerk ist nicht belastet. Alle Koppeleinheiten enthalten keine
zu versendenden Nachrichten.
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Das
hochpriore Telegramm durchläuft
alle Koppeleinheiten praktisch ohne Verzögerung: T
= n × td + Tk = 4·3 μsec + 5 μsec = 17 μsecmit
n = 32 Koppeleinheiten in einer Linie ergibt sich: T
= 32 × 3 μsec + 5 μsec = 101 μsec
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2. Ein schlechter Fall
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Alle
Koppeleinheiten versenden immer jeweils zeitlich kurz vor dem Eintreffen
des Automatisierungstelegramms niederpriore Nachrichtentelegramme
mit einer Länge
von 1500 Byte (TL = ca. 120 μsec bei 100
Mbit/sec).
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Dies
bedeutet, dass das Automatisierungstelegramm bis zu 120 μsec pro Koppeleinheit
verzögert werden
kann. Mit n = 32 Koppeleinheiten in einer Linie ergibt sich: T = n × td + Tk + n × TL = 101 μsec
+ 32 × 120 μsec = 3941 μsec
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Dieses
Beispiel zeigt, dass die Transportzeit des hochprioren Automatisierungstelegramms
zwischen 101 μsec
und 3821 μsec
schwanken kann. Auch wenn der schlechte Fall mit nur geringer Wahrscheinlichkeit
eintritt, muss in diesem Beispiel die Nachrichtentransportzeit mit
ca. 4 Millisekunden abgeschätzt
werden.
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Gegenüber allen
anderen Queuingstrategien nach dem Stand der Technik, lassen sich
mit dem Verfahren der exklusiven Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen
die Nachrichtentransportzeiten mit hoher Qualität abschätzen.
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Das
Verfahren zur exklusiven Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen
kann in seinem zeitlichen Verhalten weiter verbessert werden, indem nicht
exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme, welche gerade über einen
Port die Koppeleinheiten verlassen, abgebrochen werden, wenn einlaufende
exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme (Automatisierungstelegramme)
den gleichen Ausgangsport beanspruchen (siehe 5).
Sobald das einlaufende Telegramm als exklusiv zu bevorzugendes identifiziert
worden ist, wird das Senden des auslaufenden nicht exklusiv zu bevorzugenden Nachrichtentelegramms
abgebrochen. Dies macht den Ausgangsport frei und das einlaufende
exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramm kann direkt ohne Verzögerung z.
B. im cut through Verfahren weitergeleitet werden.
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Damit
die abgebrochenen Telegramme nicht verloren gehen, werden sie in
den Koppeleinheiten solange zwischengespeichert, bis eine vollständige Weiterleitung
erfolgt ist. In der nachfolgenden Koppeleinheit können abgebrochene
Telegramme als unvollständig
erkannt werden und werden zur Entlastung der Kommunikationsstrecken
vernichtet.
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Nur
noch exklusiv bevorzugte Nachrichtentelegramme können sich auf der Nachrichtenstrecke gegenseitig
ausbremsen. Die Übertragungszeiten
für exklusiv
zu bevorzugende Nachrichtentelegramme verbessern sich deutlich und
können
zeitlich determiniert werden, wenn die beanspruchte Bandbreite aller
Automatisierungstelegramme bekannt ist.
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Mit
n = 32 Koppeleinheiten in einer Linie ergibt sich dann für den oben
beschriebenen schlechten Fall: T = n × td + Tk = 101 μsec
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Automatisierungsprotokolle
wie z. B. Ethernet/IP und Modbus TCP/IP tragen ihre Protokollkennung
im ISO Layer-3. Für
Modbus TCP/IP wurde der Port 502 und Ethernet/IP der 2222 im UDP-Header standardisiert
(siehe 3). Diese Kennungen werden je nach Wahl in den
Koppeleinheiten hinterlegt. Laufen derart gekennzeichnete Nachrichtentelegramme
in eine Koppeleinheit ein, werden sie von derselben als exklusiv
zu bevorzugende Nachrichtentelegramme durch Vergleich mit den hinterlegten Kennungen
identifiziert und mit höchster
Priorität
entsprechend den bisherigen Ausführungen
weitergeleitet. Dieses Verfahren kann auf jede beliebige Protokollkennung
verallgemeinert werden.
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Das
Verfahren kann erfindungsgemäß für den Betrieb
in isochronen Netzwerken wie z. B. Profinet IRT optimiert werden,
indem die Koppeleinheiten aufgrund der Kennung von isochronen Nachrichtentelegrammen
die zeitliche Lage der isochronen Übertragungszyklen identifizieren.
In der Lernphase zur Identifizierung der zeitlichen Lage der isochronen Übertragungszyklen
werden die isochronen Telegramme wie exklusiv zu bevorzugende Telegramme behandelt,
welche alle anderen Telegramme unterbrechen. Nach der Lernphase
stehen die Länge
und Abfolge der isochronen Nachrichtenzyklen fest. In den isochronen Übertragungszyklen
werden alle einlaufenden nicht isochronen Telegramme zwischengespeichert
und nach Ende des isochronen Übertragungszyklusses
gesendet. Außerhalb
der isochronen Übertragungszyklen
kommt der oben beschriebene Nachrichtenverkehr der exklusiven Bevorzugung
von Nachrichtentelegrammen zum Einsatz. Einlaufende isochrone Nachrichtentelegramme
werden hier vernichtet.
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So
ist es möglich
mit den beschriebenen Koppeleinheiten den Profinet Verkehr mit seinen
Verkehrsklassen IRT, RT und NRT zu unterstützen. Profinet IRT Telegramme
werden nur innerhalb der isochronen Phasen weitergeleitet, während alle
anderen in die Koppeleinheiten einlaufende Telegramme zwischengespeichert
werden. Außerhalb
der isochronen Phasen werden Profinet RT-Telegramme wie exklusiv
bevorzugte Nachrichtentelegramme behandelt und zusammen mit den
Profinet NRT (Non Real Time) Telegrammen transportiert (siehe 6).
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So
ausgelegte Koppeleinheiten eignen sich besonders zur Integration
in Profinet RT Automatisierungsgeräte, welche auch im Mischbetrieb
mit Profinet IRT betrieben werden können. Der IRT Verkehr wird
hierbei nicht gestört
und die RT-Nachrichtentelegramme werden exklusiv bevorzugt vor den NRT-Nachrichtentelegrammen
transportiert. Darüber hinaus
eignen sich die Koppeleinheiten zum Aufbau von Mehrport – Switches
für Profinet
RT Netzwerke.