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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten
in einem Ethernet mittels Koppeleinheiten.
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Eine
Koppeleinheit kann beispielsweise ein Switch sein.
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In
DE 10 2006 021 930 ist
ein Verfahren beschrieben, in dem Automatisierungsgeräte
mittels speziellen Switches, im Folgenden RT-Switches (Realtime-Switches)
genannt, Nachrichten innerhalb einer garantierten Zeitspanne austauschen
können. Der zeitliche Determinismus wird mittels spezieller RT-Switches
herbeigeführt, indem diese exklusiv zu bevorzugende, d.
h. hochpriore Automatisierungstelegramme erkennen, diese im Cut-Through-Verfahren
weiterleiten und niederpriore Ethernet-Telegramme abbrechen, welche
den vom Automatisierungstelegramm beanspruchten Ausgangsport eines
Switches belegen. Um die Qualität des Nachrichtenaustausches
im Ethernet nicht zu stören werden die abgebrochenen Ethernet-Telegramme
im RT-Switch solange vollständig zwischengespeichert, bis
sie vollständig gesendet wurden. Durch dieses Verfahren wird
ein deterministischer Datenaustausch in einem Ethernet ermöglicht,
ohne dass besondere Anforderungen an die Teilnehmer des Netzwerkes
gestellt werden müssen. Alle Teilnehmer können
mit Standard-Ethernet-Interfaces ausgestattet sein. Der in
DE 10 2006 021 930 beschriebene
deterministische Datentransport wird durch Bevorzugen der Automatisierungstelegramme
(oder Realtime-Telegramme) vor niederpriore Nachrichtentelegramme
(oder Non-Realtime-Telegramme) erreicht.
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Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass die Bandbreite, welche für
Non-Realtime-Telegramme zur Verfügung steht bzw. übrig
bleibt, verringert wird und unter gewissen Umständen Non-Realtime-Telegramme
nicht oder nur sehr stark verzögert übermittelt
werden können. Eine solche Situation kann folgendermaßen
entstehen:
Auf einem Ethernet aufbauende Automatisierungslösungen
arbeiten meistens nach dem Producer/Consumer-Verfahren. Dies bedeutet,
dass Sensoren ihre Daten im Ethernet zu festen Zeiten „publizieren” und somit
als Producer fungieren. Die Steuerungen oder Verarbeitungseinheiten
konsumieren als Empfänger diese Daten und publizieren wiederum
das Ergebnis ihrer Verarbeitung ins Netzwerk. Aktoren, wie z. B. Antriebe,
konsumieren diese Ergebnisse und führen entsprechende Funktionen
aus.
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Im
Falle einer SPS-Steuerung kann im Allgemeinen davon ausgegangen
werden, dass alle Verarbeitungsergebnisse direkt hintereinander
ausgegeben werden. Wie in 1 dargestellt,
führt dies zu einer idealen Netzlast zugunsten von unplanmäßigen Non-Realtime-Telegrammen.
Diese werden solange mit hoher Wahrscheinlichkeit weitergeleitet
wie die gesamte Netzwerklast (Realtime-Telegramm-Laufzeit plus Non-Realtime-Telegramm-Laufzeit)
unterhalb von 100% liegt.
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Anders
verhält es sich jedoch im Falle der von den Sensoren ins
Netzwerk produzierten Daten. Auch wenn die Zeiten, zu denen jeder
Sensor seine Daten ins Netzwerk schickt, zeitlich äquidistant
geplant wurden und alle Sensoren zum Startzeitpunkt des Automatisierungssystems
ihre Zyklen gemeinsam starten, kann nicht davon ausgegangen werden, dass über
einen größeren Zeitraum eine Lastverteilung, wie
in 1 gezeigt, garantiert werden kann.
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Die
Realtime-Telegramme verteilen sich mit der Zeit über die
Zykluszeit z, welche im Allgemeinen der Zykluszeit der prozessführenden
Steuerung entspricht. Die Verteilung ist abhängig von den
Timern, die in jedem Sensor integriert sind. Beim Start des Automatisierungssystems
kann noch von einer synchronisierten Zeit im System ausgegangen
werden. Da jedoch im Allgemeinen die Zeiten der Teilnehmer nicht
neu synchronisiert werden, laufen die Timer aufgrund von Unterschieden
in der Hardware und den Umgebungsverhältnissen nicht gleich
genau. Somit ergibt sich im schlechtesten Fall eine Verteilung der
Realtime-Telegramme äquidistant über die Zykluszeit
z, wie in 2 dargestellt. Sofern die zeitlichen
Lücken zwischen den Realtime-Telegrammen in diesem schlechten
Fall kleiner sind als die Laufzeit eines Non-Realtime-Telegramms,
ist es im bisher beschriebenen Verfahren nicht mehr möglich
Non-Realtime-Telegramme zu übertragen, obwohl die gesamte
beanspruchte Bandbreite deutlich unter 100% liegen kann. Dies kann
dazu führen, dass das Netzwerk über größere
Zeiträume für den Non-Realtime-Nachrichtenverkehr
nicht mehr verfügbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein Verfahren zur Übertragung von
Daten in einem Ethernet, insbesondere zwischen Automatisierungsgeräten,
zu schaffen, in dem ein zeitlicher Determinismus hinsichtlich der Übertragungszeit
erreicht werden kann, und in dem die Übertragung von nicht
exklusiv zu bevorzugenden Datentelegrammen verbessert werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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In
einem Verfahren zur Übertragung von Daten in einem Ethernet
mittels Koppeleinheiten, z. B. Switches, tauschen Teilnehmer, beispielsweise
Automatisierungsgeräte, Daten aus. Seitens der Koppeleinheiten
werden exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme (Realtime-Telegramme)
vorzugsweise im Cut-Through-Verfahren weitergeleitet. Hierdurch kann
eine sehr schnelle Übermittlung dieser Datentelegramme
gewährleistet werden.
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Exklusiv
zu bevorzugende Datentelegramme sind in ihrem Protokollheader als
solche gekennzeichnet und werden gegenüber nicht exklusiv
zu bevorzugenden Datentelegrammen bevorzugt behandelt. Erfindungsgemäß können
die Koppeleinheiten zwischen zwei Modi umgeschaltet werden. Als
erster Modus wird ein Unterbrechungsmodus definiert, in dem auslaufende,
nicht exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme durch die Koppeleinheiten
abgebrochen werden, wenn einlaufende, exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme
in der Koppeleinheit den gleichen Ausgangsport beanspruchen.
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Als
zweiter Modus wird ein Grundmodus definiert, in dem nicht exklusiv
zu bevorzugende Datentelegramme nicht unterbrochen werden. Es tritt
eine zeitlich determinierbare Verzögerung der exklusiv
zu bevorzugenden Datentelegramme durch nicht exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramme, die auf dem beanspruchten Ausgangsport der Koppeleinheit
gesendet werden, ein. Dies erfolgt dadurch, dass exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramme auf ihrem Weg durch das gesamte Netzwerk nur eine
vorher definierbare, begrenzte Anzahl an Verzögerungen durch
nicht exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme erfahren. Diese zeitlich
determinierbare Verzögerung tritt nur im Grundmodus ein,
wobei es möglich ist, durch verschiedene, im Folgenden
beschriebene Verfahren die Umschaltung zwischen dem Grundmodus und
dem Unterbrechungsmodus zu regeln. Insbesondere ist es möglich,
auf Basis verschiedener Verfahren den Zeitpunkt festzulegen, zu dem
eine Umschaltung vom Grundmodus in den Unterbrechungsmodus in einer
Koppeleinheit erfolgt. Dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn die
Koppeleinheiten standardmäßig im Grundmodus operieren
und nur unter bestimmten Voraussetzungen in den Unterbrechungsmodus
umgeschaltet werden. Alternativ ist es möglich, die Koppeleinheiten
standardmäßig im Unterbrechungsmodus zu betreiben,
wobei die Länge des Unterbrechungsmodus oder die Häufigkeit der
Umschaltung in den Grundmodus aufgrund verschiedener, im Folgenden
beschriebener Kriterien vorgenommen werden kann.
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In
einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein Verzögerungsschwellwert v festgelegt,
der definiert, wie häufig ein exklusiv zu bevorzugendes
Datentelegramm auf seinem Weg durch sämtliche Koppeleinheiten
durch ein nicht exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm, das auf
dem Ausgangsport einer Koppeleinheit gesendet wird, den das exklusiv
zu bevorzugende Datentelegramm beansprucht, verzögert werden
darf. So ist es beispielsweise möglich, durch den Verzögerungsschwellwert
v festzulegen, dass ein exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm
maximal 3, 2 oder 1 mal verzögert werden darf. Eine oder
mehrere Koppeleinheiten werden vom Grundmodus in den Unterbrechungsmodus
umgeschaltet, wenn ein exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm
in dieser Koppeleinheit einen Ausgangsport beansprucht, der von einem
auslaufenden, nicht exklusiv zu bevorzugenden Datentelegramm belegt
ist und das exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm durch vorhergehende
Koppeleinheiten bereits v mal verzögert wurde. Bevorzugt
findet nur unter dieser Bedingung ein Umschalten in den Unterbrechungsmodus
statt, wobei in der beschriebenen Ausführungsform die Koppeleinheiten
standardmäßig im Grundmodus betrieben werden.
Durch die genannten Merkmale ist es möglich, exklusiv zu
bevorzugende Datentelegramme zeitlich determinierbar zu übermitteln,
wobei die gewünschte maximale Verzögerung dieser
Telegramme durch eine geeignete Wahl des Verzögerungsschwellwerts
v erfolgen kann.
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Besonders
bevorzugt ist es, in der ersten Ausführungsform die Anzahl
der bisher erfolgen Verzögerungen durch nicht exklusiv
zu bevorzugende Datentelegramme in vorhergehenden Koppeleinheiten
im Header jedes exklusiv zu bevorzugenden Datentelegramms einzutragen.
Dies kann vorzugsweise anstelle der Quality of Service Prioritätsbits
nach IEEE 802.1 p/Q erfolgen. Diese können im Header des
exklusiv zu bevorzugenden Datentelegramms auf null gesetzt werden.
Dies kann beispielsweise bei Eintritt eines solchen Datentelegramms
in ein Ethernet geschehen, das durch die erfindungsgemäßen Koppeleinheiten
aufgespannt wird. Jedes mal, wenn das exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm durch
ein nicht exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm verzögert
wird, können die Quality of Service Prioritätsbits
um den Wert 1 erhöht werden. Dies erfolgt durch jede Koppeleinheit,
in der die jeweilige Verzögerung stattfindet. Des Weiteren
prüft jede Koppeleinheit bei einem einlaufenden, exklusiv
zu bevorzugenden Datentelegramm, ob der Wert der Quality of Service
Prioritätsbits ≥ als die Anzahl der bisher erfolgten
Verzögerungen ist. Wenn dies der Fall ist, wird die jeweilige
Koppeleinheit in den Unterbrechungsmodus umgeschaltet, wenn das
exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm den gleichen Ausgangsport
beansprucht wie ein nicht exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm.
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Mit
anderen Worten verzögern nicht exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramme exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme auf ihrem
Weg durch das aufgespannte Netzwerk nur mit einer vorher bestimmten,
definierbaren Häufigkeit oder Anzahl. Nicht exklusiv zu
bevorzugende Datentelegramme werden daher seitens der Koppeleinheiten
nur dann nicht abgebrochen, wenn einlaufende, exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramme seltener als durch den Verzögerungsschwellwert
v bestimmt in den Koppeleinheiten aufgrund auslaufender, nicht exklusiv
zu bevorzugender Datentelegramme verzögert wurden.
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Das
beschriebene Verfahren bedarf keiner festen Zyklen, in denen zwischen
den beiden Modi umgeschaltet wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform werden innerhalb eines
sich wiederholenden Datenübertragungszyklus zwei Modi bestimmt.
Im Unterbrechungsmodus werden auslaufende, nicht zu bevorzugende
Datentelegramme unterbrochen, sofern einlaufende, exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramme den gleichen Ausgangsport in der Koppeleinheit beanspruchen.
Im Grundmodus dagegen werden die nicht exklusiv zu bevorzugenden
Datentelegramme nicht unterbrochen.
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Auch
hier werden vorzugsweise die Non-Realtime-Telegramme solange zwischengespeichert, bis
sie vollständig von einer Koppeleinheit gesendet wurden.
Der Unterbrechungsmodus wird als Pass-Through-Mode bezeichnet, während
der Grundmodus als Standard-Mode bezeichnet wird. Im Standard-Mode
können Realtime-Telegramme Non-Realtime-Telegramme nicht
unterbrechen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch Non-Realtime-Telegramme
weitergeleitet werden können. Der zeitliche Determinismus
des Datentransports von Realtime-Telegrammmen bleibt nach wie vor
erhalten, da sichergestellt ist, dass ein Realtime-Telegramm auf
seinem Weg durch alle Koppeleinheiten nur einmal durch den Standard-Mode
verzögert wird.
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Vorzugsweise
werden in der nachfolgenden Koppeleinheit abgebrochene Datentelegramme
als unvollständig erkannt und vernichtet.
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Die
exklusiv zu bevorzugenden Datentelegramme können unabhängig
vom Verfahren des priorisierten Datentransports nach IEEE 802.1
p/Q mit höchster Priorität, z. B. nach der Strict-Priority-Queuing-Strategie
seitens der Koppeleinheiten weitergeleitet werden.
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Es
ist bevorzugt, dass die Koppeleinheiten untereinander synchronisiert
sind und die Umschaltung zwischen den beiden Modi in den Koppeleinheiten
gleichzeitig und insbesondere in festgelegten Zeitabständen
erfolgt.
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Die
Länge des Grundmodus ist vorzugsweise derart gewählt,
dass ein nicht exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm mit maximaler
Länge innerhalb des Grundmodus von einer Koppeleinheit
zur nächsten weitergeleitet werden kann. Beispielsweise kann
die Länge des Unterbrechungsmodus 850 μs und die
Länge des Grundmodus 150 μs in einem Fast Ethernet
System betragen.
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Besonders
bevorzugt kann eine Koppeleinheit im Netzwerk einen Synchronisierungsbefehl
zum Umschalten zwischen dem Unterbrechungs- und dem Grundmodus senden.
Dieser Synchronisierungsbefehl kann von allen Koppeleinheiten als
exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm behandelt werden. Ferner
kann dieser Synchronisierungsbefehl in gleichen zeitlichen Abständen
ausgegeben werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, dass der Synchronisierungsbefehl zum Umschalten
in den Grundmodus durch eine Koppeleinheit nur dann ausgegeben wird,
wenn innerhalb eines Kommunikationszyklus in dieser Koppeleinheit
nicht exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme n Mal unterbrochen
wurden. Dies bedeutet, dass ein Schwellwert für eine maximale
Anzahl von Unterbrechungen von nicht exklusiv zu bevorzugenden Datentelegrammen
festgelegt wird. Sobald dieser Schwellwert überschritten wird,
gibt die jeweilige Koppeleinheit einen Synchronisierungsbefehl zum
Umschalten in den Grundmodus aus. Beispielhaft kann dies nach 3,
5 oder 7 Unterbrechungen erfolgen. Wahlweise können nur
die betroffene Koppeleinheit oder aber mehrere oder alle Koppeleinheiten
umgeschaltet werden.
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Die
zeitliche Synchronisation der Koppeleinheiten kann beispielsweise
mittels des in IEEE 1588 beschriebenen Verfahrens erfolgen. In den
oben angenommenen Zeiten von 850 μs für den Pass-Through-Mode
und 150 μs für den Standard-Mode ergibt sich eine
Zykluszeit z von einer ms, welche einem sehr schnellen SPS-Steuerungszyklus
entspricht.
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Der
Synchronisierungsbefehl zum Umschalten in den Grundmodus kann mittels
Multicast oder Broadcast ausgegeben werden. Dieser Synchronisierungsbefehl
kann ebenfalls mit einer Kennung versehen sein, welche den bevorzugten
Nachrichtenverkehr im Pass-Through-Mode erzwingt. Bevorzugt erfolgt
ein Umschalten der Koppeleinheit, die den Synchronisierungsbefehl
gesendet hat oder mehrerer oder aller Koppeleinheiten in den Grundmodus,
wenn innerhalb einer Wartezeit m kein weiterer Synchronisierungsbefehl
einer anderen Koppeleinheit eingeht. Nach erfolgtem Umschalten in
das zweite Zeitintervall können andere Koppeleinheiten
erst nach einer Wartezeit w einen erneuten Synchronisierungsbefehl zum
Umschalten in den Grundmodus senden.
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Die
vorgeschlagenen Umschaltlösungen stellen sicher, dass ein
Realtime-Telegramm auf seiner Strecke durch das Netzwerk höchstens
einmal um die Zeit y, nämlich der Länge des Standard-Modes,
verzögert werden kann. Die Zeit des deterministischen Datentransports
von Realtime-Telegrammen erhöht sich damit maximal um die
Zeit y pro Zykluszeit z. Beispielsweise kann für z = 1
ms und y = 0,15 ms bei einer Durchlaufzeit für RT-Telegramme
im Pass-Through-Mode von x = 0,85 ms eine Nachrichtentransportzeit
von maximal 1 ms garantiert werden. Dies gilt unter der Voraussetzung,
dass alle Realtime-Telegramme zyklisch innerhalb der projektierten Pass-Through-Zeit
gesendet werden können. Diese Voraussetzung kann erfüllt
werden, da der Nachrichtenverkehr von Automatisierungstelegrammen
als zyklisch konstant angenommen werden kann und hierdurch bekannt
ist, welche Zeiten für den Wert x anzunehmen sind.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand von Fig. erläutert.
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Es
zeigen:
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1 die
Verteilung von Realtime- und Non-Realtime-Telegrammen zu Anfang
eines Automatisierungsprozesses,
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2 die
Verteilung von Realtime- und Non-Realtime-Telegrammen während
eines Automatisierungsprozesses, und
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3 die
Aufteilung der Zykluszeit z in ein erstes und zweites Zeitintervall.
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Wie
aus 3 ersichtlich, kann es im schlimmsten Fall vorkommen,
dass Realtime-Telegramme gleichmäßig über
die Zykluszeit z verteilt sind. Hierbei können die zeitlichen
Abstände zwischen den Realtime-Telegrammen eine Länge
aufweisen, die geringer ist als die Übermittlungszeit eines
Non-Realtime-Telegramms. In diesem Fall könnte ein Non-Realtime-Telegramm
nicht weitergeleitet werden, obwohl die gesamte beanspruchte Bandbreite
unterhalb von 100% liegt. In der zweiten Ausführungsform
der Erfindung werden Non-Realtime-Telegramme im ersten Zeitintervall,
das dem Unterbrechungsmodus entspricht, d. h. während des Pass-Through-Modes
x, von einlaufenden Realtime-Telegrammen, die den gleichen Ausgangsport
in einer Koppeleinheit beanspruchen, unterbrochen. Während
des zweiten Zeitintervalls, nämlich des Standard-Modes
(Grundmodus), erfolgt dagegen keine Unterbrechnung von Realtime-Telegrammen.
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Die
erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann beispielsweise folgendermaßen realisiert
werden: Wenn ein exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm (ein Realtime-Telegramm)
in die erste Koppeleinheit, nämlich in den ersten Switch
des Netzwerks, einläuft, wird dieses erkannt und die Quality
of Service Prioritätsbits nach IEEE 802.1 p/Q im V-Lan-Tag
auf null (000) gesetzt. Allen Switches im Netzwerk wird beispielhaft
vorgegeben, dass Realtime-Telegramme nur dreimal auf ihrem Weg durch
Netzwerk verzögert werden dürfen. Solange dieser
von jedem Switch überprüfbare Wert (011) nicht
erreicht ist, werden vom Switch die Non-Realtime-Telegramme nicht
abgebrochen. D. h. ein Realtime-Telegramm muss ggf. in einem Switch solange
warten, bis ein Non-Realtime-Telegramm auf dem entsprechenden Ausgangsport
vollständig gesendet wurde. In diesem Fall wird der Wert
(Zähler) der Quality of Service Prioritätsbits
um 1 erhöht (001). Ist der vorgegebene Wert (hier dreimal
= 011) erreicht, wird das Realtime-Telegramm ohne weitere Verzögerungen
im Netzwerk weiter transportiert. Das bedeutet, dass alle Non-Realtime-Telegramme,
die auf einem beanspruchten Ausgangsport in einer Koppeleinheit
gesendet werden, abgebrochen werden.
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In
diesem Beispiel würde das Realtime-Telegramm im schlechtesten
Fall dreimal durch Non-Realtime-Telegramme mit einer maximalen Länge
von 1.500 Bytes verzögert. Dies entspricht einer Verzögerungszeit
von etwa dreimal 125 μs = 375 μs im Falle eines
100 Mbit Fast Ethernet. Diese Zeit muss zur reinen Durchlaufzeit
der Realtime-Telegramme (wie in
DE
10 2006 021 930 beschrieben) hinzu addiert werden. Der
deterministische Nachrichtentransport von exklusiv zu bevorzugenden
Datentelegrammen bleibt somit erhalten.
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Da
die Priorisierung im V-Lan-Tag der meisten Automatisierungstelegramme,
welche als exklusiv zu bevorzugende Datentelegramme behandelt werden,
bekannt ist, kann der zuletzt zu durchlaufende Switch dem verlassenden
Realtime-Telegramm den ursprünglichen Prioritätswert
wieder zuweisen.
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Alternativ
sind weitere Verfahren zur oben beschriebenen Kennzeichnung denkbar.
Z. B. kann eine solche Kennzeichnung im V-Lan-Feld (12 Bit) erfolgen.
Alternativ kann der Realtime-Frame vom ersten Switch erweitert werden,
wobei die Kennzeichnung vom letzten zu durchlaufenden Switch im
Netzwerk wieder entfernt wird.
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Im
gerade beschriebenen Verfahren besteht die Möglichkeit,
dass ein erstes exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm, welches
schon v mal verzögert wurde, durch ein weiteres exklusiv
zu bevorzugendes Datentelegramm, welches z. B. bisher nicht oder
weniger Male verzögert wurde und gerade selbst auf ein
nicht exklusiv zu bevorzugendes Datentelegramm wartet, behindert
wird. Diese Situation würde zu einer Zerstörung
des Determinismus führen. Werden somit beispielsweise die
Quality of Service Prioritätsbits ausgewertet, hat im beschriebenen Fall
das erste exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm die höhere
Priorität. Da sich das zweite exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramm in der Queue befindet, bevorzugt der Switch das erste
Telegramm und dieser kann das nicht exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm
abbrechen. Dies bedeutet, das in diesem Fall das erste exklusiv
zu bevorzugende Datentelegramm das zweite exklusiv zu bevorzugende Datentelegramm
in der Queue überholen und dann das nicht exklusiv zu bevorzugende
Datentelegramm abbrechen würde.
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Die
in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren können
beliebig miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006021930 [0003, 0003, 0035]