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Die
Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem.
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In
zeitgesteuerten Kommunikationssystemen werden Zeitschlitze zur Übertragung
von Echtzeitdaten verwendet (Beispiel: TDMA (Time Division Multiple
Access)). Durch die Festlegung der Teilnehmer-Sendezeiten kann eine
deterministische Kommunikation erreicht werden. Dies bietet die
Grundlage für
die zuverlässige
Kommunikation, wie sie z. B. in Fahrzeugen für sicherheitskritische Anwendungen verwendet
wird (z. B. Flexray). Für
die teilnehmenden Steuergeräte
und die zugeordneten Kommunikations-Endgeräte ist es sehr wichtig, genaue
Kenntnis über
die entsprechenden Sendezeiten zu haben, damit die Datenübertragung
zuverlässig
ist, und keine anderen Teilnehmer gestört werden. Aus diesem Grund
verfügen
bei bekannten zeitkritischen Kraftfahrzeug-Kommunikationssystemen
alle teilnehmenden Steuergeräte
bzw. die zugeordneten Kommunikations-Endgeräte über Zeitsteuerungs- und Synchronisationsmechanismen.
Dies führt
zu einem insgesamt hohen Aufwand für die Integration von Zeitsteuerungs-
und Synchronisationsmechanismen in allen Kommunikations-Endgeräten. Außerdem sind in
allen Kommunikations-Endgeräten
Datentabellen mit entsprechenden Sendezeiten (Zeitschlitzen bei TDMA-Netzen)
abzulegen und gegebenenfalls zu aktualisieren. Dies führt insbesondere
bei größeren Netzen
zu einem erhöhten
Aufwand für
die Koordination der Datentabellen.
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Um
eine zeitgesteuerte Kommunikation über Ethernet zu ermöglichen,
wurde bereits vorgeschlagen, das ursprüngliche Medienzugriffsverfahren
von Ethernet (CSMA/CD) mit einem TDMA Zugriffsverfahren zu überlagern.
Das eingefügte
TDMA-Zugriffsverfahren befindet sich dabei direkt oberhalb der ursprünglichen
Medienzugriffsschicht von Ethernet und steuert den Zugriff auf das
Kommunikationsmedium.
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Dabei
sind im Zusammenhang mit einem Ethernet folgende Ausprägungen bekannt:
- – Einsatz
des überlagerten
TDMA-Verfahrens bei shared media Ethernet: Bei shared media Ethernet
handelt es sich um eine Ethernet-Ausprägung, bei der über ein
gemeinsames Medium kommuniziert wird (Ethernet Linientopologie oder
Ethernet-Stationen, die über
einen Hub miteinander verbunden sind). Bei dieser Ausprägung kann
zu jedem Zeitpunkt immer nur genau eine Station auf das Medium sendend
zugreifen, da es sonst zu Kollisionen der Nachrichten kommen würde. Das überlagerte
TDMA-Verfahren regelt dabei den Zugriff der einzelnen Stationen
auf das Medium in einer deterministischen Art und Weise, so dass
es zu keinen Kollisionen kommt und die zeitlichen Anforderungen
garantiert eingehalten werden können.
- – Einsatz
des TDMA-Verfahrens bei Switched Ethernet: Das überlagerte TDMA-Zugriffsverfahren
wird auch bei switched Ethernet eingesetzt. Bei switched Ethernet
handelt es sich um eine Vernetzungslösung, bei der die Ethernet-Stationen über dedizierte
Leitungen an den Switch angeschlossen werden und bei der es zu keinen
Kollisionen kommen kann. Die bekannten Lösungen erlauben zu jedem Zeitpunkt
nur den Zugriff genau einer Station auf das Netzwerk, obwohl bei switched
Ethernet im Prinzip mehrere Stationen gleichzeitig senden könnten. Dies
führt zu
einer nicht optimalen Auslastung der Netzwerkressourcen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den
bekannten Kommunikationssystemen verbessertes Kommunikationssystem
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Ein
bevorzugtes Kommunikationssystem umfasst demnach eine Vielzahl von
Kommunikations-Endgeräten
und eine erste Vermittlungseinrichtung, die derart eingerichtet
sind, dass die Übertragung
von Datenpaketen von einem oder den Kommunikations-Endgeräten zu der
ersten Vermittlungseinrichtung ereignisgesteuert, insbesondere asynchron,
durchgeführt
wird, und dass die Übertragung von
Datenpaketen von der ersten Vermittlungseinrichtung zu einem oder
den Kommunikations-Endgeräten
zeitgesteuert, insbesondere synchron, durchgeführt wird.
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Vorteilhafterweise
sind dabei ein oder die Kommunikations-Endgeräte einzeln mit einer Vermittlungseinrichtung
gekoppelt oder verbunden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass
ein oder die Kommunikations-Endgeräte nicht mit einer Synchronisations-Funktion
und/oder einer Zeitsteuer-Funktion ausgestattet sind, wohingegen
die Vermittlungseinrichtung schon mit einer Synchronisations-Funktion
und/oder einer Zeitsteuer-Funktion ausgestattet ist.
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Dadurch
wird eine zuverlässige
Datenpaketübertragung
erreicht, ohne in den Kommunikations-Endgeräten eine aufwändige Zeitsteuerung
vorsehen zu müssen.
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Vorzugsweise
ist eine zweite Vermittlungseinrichtung vorgesehen, wobei die Vermittlungseinrichtungen
derart eingerichtet sind, dass die Übertragung von Datenpaketen
zwischen den Vermittlungseinrichtungen zeitgesteuert, insbesondere
synchron, durchgeführt
wird.
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Die
Umsetzung der Erfindung in die Praxis ist dann besonders ökonomisch
und zuverlässig
möglich,
wenn die Übertragung
der Datenpakete auf einem an sich bekannten und erprobten ereignisgesteuerten
Ethernet basiert. Die zeitgesteuerte Übertragung der Datenpakete
ausgehend von den Vermitt lungseinrichtungen kann durch eine dem
Ethernet übergeordnete
Protokollschicht realisiert sein.
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Vorzugsweise
sind die Kommunikations-Endgeräte
und die Vermittlungseinrichtungen derart eingerichtet und miteinander
gekoppelt, dass zwischen den Kommunikations-Endgeräten und
den Vermittlungseinrichtungen und zwischen der ersten Vermittlungseinrichtung
und der zweiten Vermittlungseinrichtung eine Voll-Duplex-Übertragung
von Datenpaketen durchgeführt
wird oder durchführbar ist,
insbesondere sind die Kommunikations-Endgeräte dazu jeweils über ein
Paar von Zweidrahtleitungen mit einer Vermittlungseinrichtung verbunden.
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Zumindest
eine Vermittlungseinrichtung ist vorteilhafterweise derart eingerichtet,
dass ein Datenpaketattribut eines empfangenen Datenpaketes in eine
Sendezeitinformation, insbesondere eine Zeitschlitznummer, eines
zu sendenden Datenpaketes umgesetzt wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgende Figur näher
erläutert:
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines Kommunikationssystems.
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In 1 ist
ein Kommunikationssystem mit mehreren Kommunikations-Endgeräten EG dargestellt,
welche über
Vermittlungseinrichtungen VE miteinander verbunden sind. Die Vermittlungseinrichtungen
VE und die Kommunikations-Endgeräte
EG sind hardwaretechnisch und softwaretechnisch derart eingerichtet
und miteinander gekoppelt, dass die Übertragung von Datenpaketen
von einem oder den Kommunikations-Endgeräten EG zu den Vermittlungseinrichtungen
VE ereignisgesteuert, insbesondere asynchron, durchgeführt wird,
und dass die Übertragung von
Datenpaketen von den Vermittlungseinrichtungen VE zu den Kommunikations-Endgeräten EG und die Übertragung
von Datenpaketen zwischen den Vermittlungseinrichtungen VE zeitgesteuert,
insbesondere synchron, durchgeführt
wird. Die Kommunikations-Endgeräte
sind dabei weder mit einer Synchronisations-Funktion noch mit einer
Zeitsteuer-Funktion ausgestattet. Die Vermittlungseinrichtungen
sind dagegen mit einer Synchronisations-Funktion und/oder einer
Zeitsteuer-Funktion ZS ausgestattet, um ein zeitgesteuertes und
zeitlich koordiniertes Senden von Datenpaketen zu ermöglichen.
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Die
Intelligenz zur Synchronisation und Zeitsteuerung wird bei dieser
Ausführungsform
der Erfindung somit von den Endknoten (Kommunikations-Endgeräte, Knoten,
Stationen) auf die Switches (Vermittlungseinrichtungen) verlagert.
Die Endknoten verfügen über keine
Kenntnis hinsichtlich der Sendzeiten und senden Datenpakte, sobald
diese in den Ausgangspuffer vorliegen an die angeschlossenen Switches.
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Die
Switches verfügen über zusätzliche Funktionalitäten zur
Zeitsteuerung, Pufferung und Synchronisation der Daten. So sind
in den Switches Zuordnungs-Tabellen abgelegt, durch welche einem oder
mehreren Datenpaketattributen (z. B. Senderadresse, Endgerätadresse,
IP-Adresse, Port-Nr, Pakettyp, Paket-ID, MAC-Adresse, Empfangszeit und/oder
Paketinhalt) Sendezeiten oder Zeitschlitze für die zeitgesteuerte Weiterleitung
der Datenpakte zugeordnet sind. Diese Tabellen werden statisch in den
Switches konfiguriert bzw. dynamisch durch Netzwerkmanagementprotokolle
(z. B. SNMP) eingestellt.
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Die
Daten, insbesondere Datenpakete, werden also ereignisgesteuert von
Endknoten an die Switches übertragen,
während
sie zeitgesteuert zwischen den Switches und von Switches an die
Endknoten übertragen
werden. Dazu werden von Endgeräten
ankommende Daten in den Switches gepuffert, um zum entsprechenden
Zeitpunkt gesendet werden zu können.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter der Annahme einer Verwendung
des an sich bekannten Ethernet-Protokolls näher erläutert: Bei einem Switched Ethernet
wird ein Switch verwendet, um die Knoten mit je einer eigenen Leitung
anzubinden. Mehrere Switches können
nach dem Prinzip einer Kaskade miteinander gekoppelt sein. Kaskadiert
miteinander gekoppelte Switches sind untereinander synchronisiert.
Die Endknoten haben weder die Information über ihre Sendezeiten noch besitzen
sie Synchronisationsmodule, um sich mit der lokalen Netz-Zeit zu
synchronisieren. Sie senden ihre Daten, sobald welche vorliegen,
an die an sie angeschlossenen Switches. Die Daten werden durch die
entsprechenden Eingangsports der Switches empfangen und gepuffert.
Die Switches leiten die gepufferten Daten entsprechend den – mittels
der genannten Datentabellen – zugeordneten
Sendezeiten an die Zielknoten weiter.
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In
einem lokalen Netz, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, sind die
Kommunikationscharakteristika und die Verkehrscharakteristik der
Steuergeräte
(Knoten) im Vorfeld bekannt und können vor der Inbetriebnahme
des Netzes in den Zuordnungen der Datentabellen der Switches berücksichtigt
werden. So kann mit Hilfe der im Vorfeld bekannten Verkehrscharakteristika
im Fahrzeug eine Planung der Kommunikation vor der Inbetriebnahme
durchgeführt
werden, und die entsprechenden Informationen in den Switches gespeichert
werden. Um die Knoten zu entlasten, können die Switches als intelligente
Vermittlungseinrichtungen die Kommunikation zentral verwalten und
steuern. Hierfür
besitzen sie zusätzlich zur
Kommunikationsinformation (beispielsweise Switching-Tabellen bestehend
aus IP-Adressen zugeordnet zu MAC-Adressen) als die einzigen Netzteilnehmer
im Netz die erforderlichen Informationen über die Zeitsteuerung und Synchronisation.
Im Fall von kaskadierten Switches werden die Switch-Uhrzeiten mit
Hilfe von geeigneten, präzisen
Synchronisationsprotokollen, wie z. B. das PTP (Precision Time Protocol),
untereinander synchronisiert.
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Vorteile
der Erfindung oder ihrer Weiterbildungen sind auch und vor allem
in folgenden Punkten zu sehen:
- – Entlastung
der Endknoten (Steuergeräte
im Fahrzeug) und Vereinfachung ihrer Systemarchitektur, da die Intelligenz
zur Zeitsteuerung und Synchronisation in die Switches verlagert
ist;
- – Kostenreduktion
der Endknoten (Steuergeräte) durch
die Vernachlässigung
von Synchronisations- und Zeitsteuerungsmechanismen;
- – Vereinfachung
der Überwachung
und Steuerung der zeitgesteuerten Datenübertragung durch Switches,
die im Vergleich zu Endknoten in kleinerer Anzahl im Netz vorhanden
sind;
- – Ausblenden
defekter Endgeräte
oder Switches durch einen Switch möglich.