DE102006021930A1

DE102006021930A1 - Message telegrams communicating method for use over Ethernet network, involves transmitting message telegrams independent of procedure of prioritized message transport with highest priority after strict priority queuing strategy

Info

Publication number: DE102006021930A1
Application number: DE102006021930A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kres
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: DE102006021930B4; DE202006020520U1

Abstract

The method involves exclusively exchanging messages by automating devices, and clearly and exclusively marking message telegrams in respective protocol headers. The message telegrams are transmitted independently of a procedure of prioritized message transport based on IEEE 802.1p/Q with highest priority after a strict priority queuing strategy on a part of coupling units. An independent claim is also included for an Ethernet network with a network infrastructure that is realized by coupling units.

Description

Stand der Technik:State of the art:

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.Manufacturer Switches try the best balance between good bandwidth distribution and easier implementation of the queuing strategies. Prof. Dr. Bernhard G. Support and Dipl.-Ing. Toralf Rungevon of the University of Applied Sciences Stralsund describe in their article "REAL-TIME-CORE- AND-EDGE-SWITCHES Class society in the net - the theory "in network computing from 17.03.2004 the state of the art.

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.

According to the state of the art, the queuing or scheduling strategies follow the principles:

• a fair distribution of the bandwidth to the different service classes. This also takes into account the bandwidth for special services, so that it can come to certain weightings in the fairness.
• Protection between the different service classes. A low-priority service class should not affect queues from other service classes.
• Unused bandwidth is made available to other queues.

Bekannte Queuing Strategien für Switches:Well-known queuing strategies for switches:

• First-In First-out (FIFO),
• Stirct-priority queuing (SPQ)
• Stirct- and rate-controlled priority queuing (PQ),
• fair queuing (FQ),
• Weighted fair queuing (WFQ),
• weighted-round-robin-queuing (WRR), also known as Class-Based Queuing (CBQ) and
• Deficit-Weighted-Round Robin Queuing (DWRR).

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.These Known queuing strategies of switches are in their behavior on the one hand by the first-in first-out and on the other hand by delimited the Stirct-Priority Queuing Strategy. All others known Processes are more or less a mixture in their effect of these two strategies.

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.considerations in automation always the worst case. It does not help best case times or to look at typical times, if then during operation of a plant statistically distributed messages later than typically theirs receiver and cause a machine or plant shutdown or damage.

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. 1 shows two programmable controllers A1 and A2. Switch 1 is connected to A1 via port 1, and switch 2 is connected to A2 via port 3. The switches 1 and 2 are connected to each other via their respective ports 1 and 3, respectively. Automation device A1 is the sender of the automation telegram. Automation device A2 is the addressed receiver of the automation telegram. At the time a) shown, switch 1 forwards any message telegram received at port 2 via port 3 to switch 2. Before the automation telegram in switch 1 enters via port 1, switch 1 receives another arbitrary message telegram at port 4, which must be forwarded to switch 2 via port 3.

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. 2 shows as a continuation of 1 in timely processing steps a) to e) the message traffic according to the first-in, first-out (FIFO) queuing strategy. Since both message telegrams arrive in time before the automation telegram Switch 1, they must also be forwarded according to the FIFO principle before the automation protocol.

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.Switches that use the first-in-first-out (FIFO) strategy are completely unsuitable for automation, as shown on the message path in 1 respectively. 2 Any incoming message telegrams can displace automation telegrams. These displacement or delay times can only be estimated very poorly. In the example of 1 respectively. 2 It was assumed by way of example that only one message frame at a time enters the switch before the automation telegram and only one message telegram is stored in the memory of the switch or in the queue. It is easy to understand that, depending on the storage capacity of the switches used, the delay of the high-priority automation telegrams can lead to their loss due to too long a dwell time in the network.

Die Priorisierung von Datenströmen ist heute entscheidend für die effiziente Nutzung von Ethernetnetzwerken. Internet-Telefonie (Voice over IP) wäre ohne Priorisierung nicht denkbar.The Prioritization of data streams is crucial for today the efficient use of Ethernet networks. Internet telephony (Voice over IP) would be without Prioritization unthinkable.

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.IEEE 802.1p defines a procedure for the prioritization of data on the OSI layer 2. The necessary changes in the header describes IEEE 802.1Q. Switches read the associated ones Prioritization from the message packet headers.

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.in the MAC header according to IEEE 802.1Q is the Tag Control Information (TCI) field. In the TCI, three bits for the User Priority (Class of service). With these three bits can be eight values (0 to 7). Zero stands for the lowest priority, Seven for the highest Priority.

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:Each priority is a traffic class (traffic type). For example, the highest priority (value 7) is reserved for the control and management of the network itself. The second highest priority (value 6) is reserved for interactive voice (vioce over IP) applications:

Verkehrsklassen nach Priorität:Traffic classes by priority:

1. Network Control; High requirement to get through to maintain and support the network infrastructure
2. Voice; less than 10 milliseconds 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.

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.To The Stirct-Priority-Queuing strategy includes all incoming message telegrams checked their priority and in arranged the appropriate queues. Only when the queue with the highest priority is "emptied" will queues become low priority treated. This will ensure that it has timed in earlier Message telegrams with low priority, which are still in memory of the switch (in the queue) are of incoming higher priority Message telegrams "obsolete" This queuing strategy is that message telegrams are lower priority at high data streams high-priority message telegrams can no longer reach their destination.

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.Would you contrary to the specifications in IEEE 802.1p / Q, the highest priorities for automation telegrams use, would these telegrams reach the statistical target earlier, as with all the other queuing strategies listed above. however would Then the automation telegrams are a priority with the Standard IEEE 802.1p / Q described traffic classes such. Eg voice share over IP. The real-time behavior is difficult to estimate since the bandwidth used by voice over IP fluctuates very much.

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.Would in the Contrary to the standard IEEE 802.1p / Q the priority classes in favor of one Automation telegram class redistributed, special routers would need the Isolate automation islands and the priority classes constantly reassign all incoming and outgoing telegrams. An acceptance in the market may be doubted.

Aufgabenstellung:Task:

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.task The invention is an optimized real-time communication behavior by coupling units in an Ethernet network, wherein Automation telegrams in contrast to all other telegrams exclusively preferred to be transported in the network.

Die Zeiten zur Nachrichtenübertragung müssen mindestens mit hoher Qualität abschätzbar sein oder zeitlich determiniert werden können.The Times for message transmission have to at least high quality estimated be or can be determined in time.

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.This should be independent from the standards of eight-level prioritization to ISO Layer-2 according to IEEE 802.1p / Q, since there are no traffic classes for automation telegrams are defined and used in a manner contrary to the standard Traffic classes in the market would find little acceptance.

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.Also should an exclusive preference of message telegrams on ISO Layer 3 will be enabled where the telegram identifier in the IP header or UDP header or in TCP header is found.

Darüber hinaus soll der Betrieb dieser Koppeleinheiten in isochronen Ethernetnetwerken, wie z. B. Profinet IRT (siehe Profinet Systembeschreibung www.profibus.com), ermöglicht werden.Furthermore the operation of these coupling units in isochronous Ethernet networks, such as Eg Profinet IRT (see Profinet system description www.profibus.com), allows become.

Prinzipielle Ausführung:Basic version:

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.One Method for exclusive preference of automation telegrams is feasible without low prioritized messages being unfair repressed become. Unlike applications like Interactive Voice, Interactive Multimedia, streaming multimedia or "normal" Internet traffic is the bandwidth required for automation projects relatively accurately planable and over the time constant. In automation, about 90% of the news cyclically transmitted with constant length. From this let yourself very accurately estimate the network load in a network. This experience has been in over 15 years Fieldbus history confirmed Service. Profibus DP and Interbus S are exemplary here as known Called standards.

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.automation with Ethernet works no different. The master-slave principle Fieldbus technology is used in most philosophies by a producer consumer Principle detached. Profinet is probably the best-known standard currently on this Principle builds. Sensors "publish" (producer) in fixed Times, which are adjustable, their data in the Ethernet network. The controllers or processing units "consume" them as recipients Data and "publish" the result their processing into the network. Actuators such as drives "consume" these results and lead corresponding functions. This entire process can be very accurate be planned. This is the bandwidth used for automation telegrams can be calculated in the Ethernet.

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.Become now automation telegrams exclusively preferred transmitted in the Ethernet network is the remaining bandwidth for the standard Internet traffic is also relatively constant and is reliable to disposal. About that In addition, the exclusive preference for automation telegrams with o. g. Queuing strategies combined or superimposed almost without reaction become. If one of a reduced bandwidth for the normal Internet traffic, the prioritized message traffic, z. B. with VLAN tag to IEEE 802.1p / Q, not affected. Comparable This is with a network that has only a reduced transmission frequency is working.

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.Therefore, according to the invention the use of a telegram identifier for exclusive preference of automation telegrams, which do not comply with IEEE 802.1p / Q uses standardized identifiers, advantageous because they are the type preferred message transport with no other class sharing and not defining the traffic classes of the standards injured.

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.Important communication standards such as Profinet, Ethernet IP and Modbus TCP are clearly identified in their protocol headers. For example, Profinet telegrams in the Ethertype with 8892 (hexadecimal) are marked (see 3 ). In contrast, normal Internet traffic bears the ID 0800. In addition, automation telegrams in the 12-bit VLAN ID field of the 4-byte VLAN can be individually marked.

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.By Leave evaluation of the telegrams arriving in a coupling unit uniquely identify automation telegrams and thus exclusively preferably forward. The preference is characterized that the automation telegrams are forwarded with the highest priority. Only when the queue of exclusive automation telegrams is preferred emptied, queues with other message telegrams processed.

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.There Automation telegrams separate from bandwidth-intensive traffic classes according to IEEE 802.1p / Q such. B. voice over IP will be processed avoided a mixed operation with these traffic classes. Also the Manipulation or permanent translation of telegram identifiers by routers is not following this procedure necessary. All other traffic classes can be undisturbed with the edit each best queuing strategy. The further development of further optimized queuing strategies for Internet traffic so not hindered.

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.In 4 the inventive exclusive preference of message telegrams in steps a) to d) is shown. Here, n = 4 coupling units are exemplary, as usual in industrial automation, arranged in a line. Automation device A1 wants to issue an automation telegram to automation device A2. In contrast to the FIFO queuing strategy, all message telegrams that are still in the queues are now outdated by automation telegrams in the coupling units.

Beispiele:Examples:

Unter der realistischen Annahme, dass die Koppeleinheiten eine Durchlaufzeit von t_d = 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 (T_k = ca. 5 μsec Laufzeit bei 100 Mbit/sec) folgender Übertragungszeitplan:Under the realistic assumption that the coupling units have a cycle time of t _d = 3 μsec (cut-through) and neglecting the signal propagation times on the lines and the inter-frame gap, the high-priority automation telegram with a total length of 64 bytes (T _k = approx. 5 μsec running time at 100 Mbit / sec) following transmission schedule:

1. Bester Fall1st best case

Das Netzwerk ist nicht belastet. Alle Koppeleinheiten enthalten keine zu versendenden Nachrichten.The Network is not charged. All coupling units do not contain any messages to be sent.

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 The high-priority telegram passes through virtually all coupling units without delay: T = n × t d + T k = 4 x 3 μsec + 5 μsec = 17 μsec with n = 32 coupling units in one line: T = 32 × 3 μsec + 5 μsec = 101 μsec

2. Ein schlechter Fall2. A bad case

Alle Koppeleinheiten versenden immer jeweils zeitlich kurz vor dem Eintreffen des Automatisierungstelegramms niederpriore Nachrichtentelegramme mit einer Länge von 1500 Byte (T_L = ca. 120 μsec bei 100 Mbit/sec).All coupling units always send low-priority message telegrams with a length of 1500 bytes (T _L = approx. 120 μsec at 100 Mbit / sec) in each case shortly before the arrival of the automation telegram.

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 This means that the automation telegram can be delayed up to 120 μsec per coupling unit. With n = 32 coupling units in one line: T = n × t d + T k + n × T L = 101 μsec + 32 × 120 μsec = 3941 μsec

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.This Example shows that the transport time of the high-priority automation telegram between 101 μsec and 3821 μsec can fluctuate. Even if the bad case with low probability must enter, in this example, the message transport time with estimated at about 4 milliseconds become.

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.Opposite all Other queuing strategies according to the prior art, can be with the method of exclusive preference of message telegrams estimate the message delivery times with high quality.

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.The method for the exclusive preference of message telegrams can be further improved in its temporal behavior by non-exclusively preferable message telegrams, which are just leaving the coupling units via a port, aborted when incoming exclusively preferable message telegrams (automation telegrams) claim the same output port (see 5 ). As soon as the incoming telegram has been identified as being exclusively preferred, the transmission of the expiring non-exclusively preferable message telegram is aborted. This makes the output port free and the incoming exclusively preferable message telegram can be sent directly without delay z. B. forwarded in the cut through method.

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.In order to If the interrupted telegrams are not lost, they will be transferred to the coupling units cached until a complete transmission is done. In the following coupling unit can aborted Telegrams as incomplete be recognized and are to relieve the communication links destroyed.

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.Just Even exclusively preferred message telegrams can be mutually exclusive on the message path slow down. The transmission times for exclusive preferred message telegrams improve significantly and can be determined in time, if the claimed bandwidth of all Automation telegrams is known.

Mit n = 32 Koppeleinheiten in einer Linie ergibt sich dann für den oben beschriebenen schlechten Fall: T = n × td + Tk = 101 μsec With n = 32 coupling units in one line, the result for the above described bad case is: T = n × t d + T k = 101 μsec

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.Automation protocols such. Ethernet / IP and Modbus TCP / IP have their protocol identifier in ISO Layer-3. For Modbus TCP / IP, the port 502 and Ethernet / IP of the 2222 were standardized in the UDP header (see 3 ). These identifiers are stored in the coupling units as required. If message telegrams labeled in this way run into a coupling unit, they are identified by the latter as message telegrams which are to be preferred exclusively by comparison with the stored identifiers and forwarded with the highest priority in accordance with the previous statements. This method can be generalized to any protocol identifier.

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.The Method according to the invention for the operation in isochronous networks such. Eg Profinet IRT, by the coupling units due to the identification of isochronous message telegrams identify the timing of isochronous transfer cycles. In the learning phase to identify the timing of isochronous transfer cycles the isochronous telegrams are treated as exclusive telegrams, which interrupt all other telegrams. After the learning phase stand the length and sequence of isochronous message cycles. In the isochronous transfer cycles All incoming non-isochronous telegrams are buffered and after the end of the isochronous transfer cycle Posted. Outside the isochronous transfer cycles comes the above described message traffic of exclusive favor of message telegrams are used. Incoming isochronous message telegrams are destroyed here.

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).So it is possible to support the Profinet traffic with its traffic classes IRT, RT and NRT with the described coupling units. Profinet IRT telegrams are forwarded only within the isochronous phases, while all other telegrams arriving in the coupling units are buffered. Outside the isochronous phases, Profinet RT telegrams are handled like exclusively preferred message telegrams and transported together with the Profinet NRT (Non Real Time) telegrams (see 6 ).

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.So designed coupling units are particularly suitable for integration in Profinet RT automation devices, which are also in mixed operation can be operated with Profinet IRT. The IRT traffic will not disturbed and the RT message telegrams are exclusively preferred before the NRT message telegrams transported. Furthermore The coupling units are suitable for setting up multi-port switches for Profinet RT networks.

Claims

Method for communication in an Ethernet network by means of coupling units in which automation devices are exclusive preferred to exchange their messages, with the exclusive preferred Message telegrams unique in their respective protocol header are marked and independent of the prioritized message transport method according to IEEE 802.1p / Q with the highest priority after the Stirct Priority Queuing Strategy be forwarded by the coupling units.

Method characterized according to claim 1, in which the coupling units terminate not exclusively preferable message telegrams break if incoming exclusively preferable message telegrams in the coupling unit claim the same output port.

Process characterized according to claims 1-2, in which aborted non-exclusively preferred message telegrams Completely as long as stored in the coupling units until they Completely have been forwarded.

Process characterized according to claims 1-3, in which incoming aborted message telegrams from the Coupling units are destroyed.

Process characterized by claims 1-4, in which the label in the Ethernet header or in the IP header or UDP header or in the TCP header.

Process characterized by claims 1-5, in which message telegrams by the marking in isochronous and not isochronous message telegrams.

Process characterized by claims 1-6, in which the coupling units the time intervals of the isochronous Record message traffic and the isochronous message telegrams is exclusively preferred within the recorded isochronous time intervals are sent and all non-isochronous message telegrams be cached.

Process characterized by claims 1-7, in which outside the isochronous transfer cycles the cached and incoming non-isochronous telegrams be sent, with the exclusively preferable non-isochronous Message telegrams with highest Transfer priority become.

Process characterized by claims 1-8, in which outside the isochronous transfer cycles incoming isochronous automation telegrams are destroyed.

Process characterized by claims 1-9, in which the isochronous message telegrams Profinet IRT telegrams correspond and not isochronous exclusively preferable message telegrams Profinet RT telegrams do not match and all non-isochronous ones Exclusively preferred message telegrams Profinet NRT telegrams correspond.

Method characterized according to one of the aforementioned Claims, in which the coupling unit integrated in an automation device is and has at least 2 external ports.

Ethernet network whose network infrastructure using Coupling units is realized, wherein the coupling units in such a way that they are built to carry out the process after a the claims 1-11 are suitable.