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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Netzwerkeinrichtung und eine Netzwerkanordnung. Netzwerkeinrichtungen oder Netzwerkknoten werden in Kommunikationsnetzwerken verbaut und können beispielsweise Sensordaten oder Steuerdaten erzeugen und verarbeiten. Bei besonders sicherheitsrelevanten Netzwerken, wie beispielsweise in Automatisierungsanlagen oder neuerdings auch Anwendungen im automobilen Fahrzeugbereich, müssen auch bei Fehlern von Hardware-Komponenten redundante Kommunikationspfade fehlerfrei und zuverlässig sein.
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In Kommunikationsnetzwerken können beispielsweise Linkunterbrechungen oder unidirektionale Kommunikationsunterbrechungen wie auch Gesamtkomponentenausfälle auftreten. Beim häufig eingesetzten Ethernet-Protokoll oder auf Internetprotokollebene, wird die Kommunikation dann über einen alternativen Kommunikationspfad umgeleitet. Es werden auch redundant aufgebaute Netzwerkeinrichtungen oder -knoten verwendet, wobei beispielsweise ein Mikroprozessor einer Steuereinrichtung doppelt ausgeführt ist, so dass beim Ausfall einer der beiden Mikroprozessoren dennoch Kommunikationsdaten zuverlässig verarbeiten kann. Insbesondere bei Ethernet-Infrastrukturen erfolgt die Ankopplung an das Netzwerk in einigen Fällen über einen internen Ethernet-Switch der Netzwerkeinrichtung. Bei einem Ausfall eines entsprechenden Ethernet-Switches ist die Verbindung zu der bei- oder zugeordneten Steuereinrichtung dann vollständig verloren. In einem solchen Fehlerfall muss auf eine vollständig andere Netzwerkeinrichtung, die dieselben Aufgaben, wie beispielsweise Messungen oder Steuerungen, vollzieht, ausgewichen werden.
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Komplexere Fehlerfälle, bei denen beispielsweise auf Grund von Problemen mit Forwarding-Tabellen nur einzelne Datenpakete falsch weitergeleitet werden, lassen sich durch solche konventionellen Maßnahmen nicht eruieren. Insofern ist es wünschenswert, insbesondere für sicherheitsrelevante Netzwerkanwendungen, Netzwerkeinrichtungen bereitzustellen, die auch bei komplexen Fehlersituationen zuverlässig ihre Aufgabe vollzieht.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Netzwerkeinrichtung bereitzustellen.
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Demgemäß wird eine Netzwerkeinrichtung mit einer ersten Steuereinrichtung und einer der ersten Steuereinrichtung zugeordneten ersten Switch-Einrichtung, und mit einer zweiten Steuereinrichtung und einer der zweiten Steuereinrichtung zugeordneten zweiten Switch-Einrichtung vorgeschlagen. Die Netzwerkeinrichtung weist eine erste und eine zweite Kommunikationsschnittstelle zum Koppeln an ein Kommunikationsnetzwerk auf, wobei die Switch-Einrichtungen jeweils mindestens zwei Ports umfassen und die Switch-Einrichtungen kommunikativ miteinander gekoppelt sind.
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Die Netzwerkeinrichtung, die auch als Netzwerkknoten bezeichnet werden kann, hat insbesondere zwei Switch-Einrichtungen, die unabhängig voneinander ausgeführt sind. Als Steuereinrichtung kommt beispielsweise eine CPU, ein Mikroprozessor oder auch ein anderer programmierbarer Schaltkreis in Frage. Als Steuereinrichtung kann ferner eine Sensoreinrichtung verstanden werden.
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Es ergibt sich insofern eine Netzwerkeinrichtung, die unabhängig voneinander über zwei Kanäle Kommunikationsanbindungen mit dem Kommunikationsnetzwerk erstellen kann. Die Netzwerkeinrichtung ermöglicht redundante Kanäle auf Switching-Ebene, so dass auch beim Ausfall einer der Switch-Einrichtungen, zumindest eine der ebenfalls redundant vorgehaltenen Steuereinrichtungen weiterarbeiten kann. Durch eine kommunikative Kopplung der Switch-Einrichtungen untereinander, kann ferner festgestellt werden, ob eine voll funktionsfähige Kommunikationsanbindung an das Kommunikationsnetzwerk besteht oder auch eine der Komponenten, wie die Steuereinrichtungen oder Switch-Einrichtungen, fehlerhaft funktioniert.
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Die Switch-Einrichtung kann auch als Bridge-Einrichtung oder Router-Einrichtung bezeichnet werden. Bei den mindestens zwei Ports ist beispielsweise ein erster Port an die jeweils zugeordnete Steuereinrichtung gekoppelt, und der zweite Port ist als Kommunikationsschnittstelle mit dem Netzwerk verbunden. Als Netzwerk kommt insbesondere ein Ethernet in Frage. Denkbar sind jedoch auch weitere Bussysteme oder Netzwerke, wie Flexray oder CAN.
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Vorzugsweise umfasst die Netzwerkeinrichtung als ein Modul Komponenten, wie beispielsweise ICs, die jeweils eine Steuereinrichtung und eine Switch-Einrichtung realisieren.
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In Ausführungsformen sind die Switch-Einrichtungen über einen Kommunikationspfad außerhalb der Netzwerkeinrichtung über das Kommunikationsnetzwerk miteinander gekoppelt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Switch-Einrichtungen, beispielsweise mit Hilfe dezidierter Ports der Switch-Einrichtungen, können Datenabgleiche zwischen den beiden Switch-Einrichtungen erfolgen.
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Denkbar ist auch, dass die Switch-Einrichtungen über einen Kommunikationspfad innerhalb der Netzwerkeinrichtung miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise kann eine direkte Port-zu-Port-Verbindung innerhalb der als ein einheitliches Modul ausgeführten Netzwerkeinrichtung realisiert sein.
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Bei Ausführungsformen sind die Steuereinrichtungen über einen direkten Kommunikationspfad innerhalb der Netzwerkeinrichtung miteinander gekoppelt. Dies ermöglicht, beispielsweise redundante Daten direkt zwischen den Steuereinrichtungen, die beispielsweise Aktor-Sensor-Kombinationen sind, vor der Übergabe an die Switch-Einrichtungen und das Kommunikationsnetzwerk miteinander zu vergleichen und abzugleichen.
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Vorzugsweise sind die Switch-Einrichtungen jeweils als einzelner FPGA, ASIC, IC Chip, oder fest verdrahteter Mikroschaltkreis ausgeführt. Dadurch, dass die Switch-Einrichtungen oder optional ferner die Steuereinrichtungen getrennt ausgeführt sind, ergibt sich eine verbesserte Redundanz und damit Fehlerunabhängigkeit.
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In Ausführungsformen der Netzwerkeinrichtung ist die Netzwerkeinrichtung derart eingerichtet, dass von der ersten Steuereinrichtung erzeugte Daten mit von der zweiten Steuereinrichtung erzeugten Daten identisch sind und/oder dieselbe Information umfassen und über die Kommunikationsschnittstellen in das Kommunikationsnetzwerk gesendet werden. Die redundante Ausführung mit mindestens zwei Switch-Einrichtungen ermöglicht das Erzeugen von mehreren Kommunikationspfaden oder -kanälen, über die im Idealfall dieselben Daten versendet werden. Als Daten kommen beispielsweise Steuerdaten oder Sensordaten in Frage, die an andere Netzwerkeinrichtungen, die an das Kommunikationsnetzwerk gekoppelt sind, verschickt werden.
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In weiteren Ausführungsformen der Netzwerkeinrichtungen sind ferner die Steuereinrichtungen derart eingerichtet, dass die von ihnen erzeugten Daten untereinander abgeglichen werden. Dies kann beispielsweise direkt mittels eines Kommunikationspfads zwischen den beiden Steuereinrichtungen erfolgen. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Switch-Einrichtungen, die von den Steuereinrichtungen erzeugten Daten miteinander abgleichen und dann über jeweils einen Port der Switch-Einrichtung an das Kommunikationsnetzwerk übergeben.
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Die Netzwerkeinrichtung ist insbesondere eingerichtet, nach einem Ethernet-Protokoll zu arbeiten. Ethernet-Protokolle sind weit verbreitet und lassen sich beispielsweise flexibel in Automatisierungsnetzwerke implementieren oder auch neuerdings in Fahrzeugen einsetzen. Denkbar sind entsprechende Kommunikationsnetzwerke und Netzwerkeinrichtungen, beispielsweise zum Steuern eines Motors, einer Bremse oder anderen technischen Geräten, die in einem Fahrzeug vorgesehen sind.
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Durch die redundante Ausführung der internen Switch-Einrichtung in der Netzwerkeinrichtung ist ein besonders sicherer Betrieb möglich. Um die Sicherheit weiterhin zu erhöhen, kann die Netzwerkeinrichtung weitere Steuereinrichtungen und weitere den Steuereinrichtungen zugeordnete Switch-Einrichtungen umfassen. Durch zusätzliche Switch-Einrichtungen und Steuereinrichtungen lässt sich die Redundanz erhöhen und damit die Ausfallsicherheit bei Störungen von Kommunikationspfaden verbessern.
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Es wird ferner eine Netzwerkanordnung vorgeschlagen, welche mehrere Netzwerkeinrichtungen, wie sie zuvor beschrieben sind, umfasst. Dabei sind die Kommunikationsschnittstellen der Netzwerkeinrichtungen an ein gemeinsames Kommunikationsnetzwerk gekoppelt.
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Denkbar ist beispielsweise ein Ethernet-Netzwerk, welches Teil eines Kraftfahrzeugs ist. Die Netzwerkanordnung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, wobei die Steuereinrichtungen Sensor- und oder Aktoreinrichtungen sind. Als Sensoreinrichtungen sind Drehzahlsensoren, Brems- oder Schaltsteuerungseinrichtungen denkbar. Es sind auch Steuereinrichtungen denkbar, die ein Drive-by-Wire ermöglichen. Insgesamt ergibt sich eine besonders zuverlässige Netzwerkanordnung, in der Störungen von Kommunikationskanälen sicher aufgefangen werden. Durch das redundante Vorhalten der Steuereinrichtungen sowie der Switch-Einrichtungen, kann beim Ausfall einer der Komponenten noch immer eine voll funktionsfähige Kommunikationsanbindung über eine der beiden Kommunikationsschnittstellen bzw. der Ports hergestellt werden.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen der Netzwerkeinrichtung oder eines Netzwerkknotens. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Netzwerkeinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Netzwerkeinrichtung; und
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Netzwerkanordnung mit mehreren Netzwerkeinrichtungen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Netzwerkeinrichtung angegeben. Die Netzwerkeinrichtung 1 kann auch als Netzwerkknoten oder Knoten in einem Netzwerk bezeichnet sein. Die Netzwerkeinrichtung 1 ist an ein Kommunikationsnetzwerk 6 gekoppelt. Das Kommunikationsnetzwerk 6 ist beispielsweise als Ethernet-Netzwerk ausgestaltet. Insofern umfasst die Netzwerkeinrichtung 1 zwei Switch-Einrichtungen 4, 5, die als Ethernet-Switches oder -Bridges ausgestaltet sind. Einer ersten Switch-Einrichtung 4 ist eine erste Steuereinrichtung 2 zugeordnet. Der zweiten Ethernet-Switch-Einrichtung 5 ist eine zweite Steuereinrichtung 3 zugeordnet. Die Steuereinrichtungen 2, 3 sind in der Regel gleichartig aufgebaut und vollziehen dieselben Aufgaben. Denkbar sind beispielsweise Mikroprozessoren, Sensoreinrichtungen oder Aktoreinrichtungen, wie sie zur Steuerung und zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Steuereinrichtungen 2, 3, werden auch als CPUs bezeichnet. Die Steuereinrichtungen 2, 3 können beispielsweise Teil eines Antiblockiersystems sein oder auch einfache Sensoraufgaben wie Lichtsensoren erfüllen.
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Entsprechende Sensordaten müssen zuverlässig über das Ethernet-Netzwerk 6 an entsprechende weitere Netzwerkeinrichtungen wie Steuerschaltkreise oder andere Module übertragen werden. Dazu ist die erste Steuereinrichtung 2 an einen Port 7 der ersten Switch-Einrichtung 4 gekoppelt. Die Switch-Einrichtung 4 ist ferner über einen zweiten Port 8, die als Schnittstelleneinrichtung dient, mit dem Ethernet-Netzwerk 6 verbunden. Ähnlich ist die zweite Steuereinrichtung 3 über einen Port 10 mit der zweiten Ethernet-Switch-Einrichtung 5 verbunden. Ein Port 12 der zweiten Ethernet-Switch-Einrichtung 5 dient bei diesem Ausführungsbeispiel zum Koppeln an das Ethernet 6.
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Die in der 1 dargestellten Switch-Einrichtungen 4, 5 haben jeweils drei Ports 7–12. Der jeweils dritte Port 9, 11 ermöglicht eine Kommunikationsverbindung oder einen Kommunikationspfad 17 zwischen den beiden Switch-Einrichtungen 4, 5. Im störungsfreien Betrieb erzeugen die beiden CPUs bzw. Steuereinrichtungen 2, 3 dieselben Daten, welche sie über einen Kommunikationspfad 13, 14 an die zugeordnete Switch-Einrichtung 4, 5 übermitteln, welche wiederum die Daten mit Hilfe weiterer Kommunikationspfade 15, 16 an das Netzwerk 6 senden. Durch die Kopplung 17 der beiden Switch-Einrichtungen 4, 5 miteinander, kann bereits überprüft werden, ob die von den CPUs 2, 3 erzeugten Daten miteinander konsistent sind.
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Die Daten werden dabei ebenfalls über das Kommunikationsnetzwerk 6 zwischen den Switch-Einrichtungen 4, 5 übermittelt.
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Durch die Netzwerkeinrichtung 1 mit den beiden Ethernet-Switch-Komponenten 4, 5, welche vorzugsweise als ASICs oder FPGAs ausgeführt sind, und die Kopplung der CPUs 2, 3 an die Switch-Einrichtungen 4, 5, ist immer eine funktionsfähige Kommunikationsanbindung zum Netzwerk 6 hin gegeben, auch wenn eine der Komponenten ausfallen sollte. Die interne Verknüpfung der Daten zwischen den Switch-Einrichtungen 4, 5 ermöglicht ferner eine verbesserte Fehlererkennung und Einordnung komplexer Fehlerstrukturen oder Situationen. In der 1 erfolgt die Kopplung der Switch-Einrichtungen 4, 5 über das angekoppelte Netzwerk 6. Denkbar ist auch eine direkte Verbindung innerhalb der Netzwerkeinrichtung.
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Die 2 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Netzwerkeinrichtung 100. Im Wesentlichen sind dieselben Komponenten wie in der 1 dargestellt. Allerdings erfolgt eine Kopplung der beiden Switch-Einrichtungen 4, 5 über einen Kommunikationspfad 18 direkt zwischen den Ethernet-Switches 4, 5. Dazu können beispielsweise die Ports 9, 11 verwendet werden. Es ist jedoch auch eine dezidierte oder proprietäre Verknüpfung der beiden Ethernet-Switches 4, 5 denkbar. Die Datenduplizierung kann beispielsweise innerhalb der Ethernet-Switches 4, 5 durch deren Kopplung miteinander erfolgen. Anschließend werden die beiden Daten, welche von der CPU 2 oder 3 erzeugt wurden, über die jeweiligen Ports 8, 12 an das Netzwerk 6 übergeben.
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Denkbar ist auch, die Daten direkt zwischen den beiden CPUs auszutauschen bzw. zu kopieren und anschließend über die Ethernet-Switches 4, 5 an das Netzwerk 6 zu senden. Insgesamt ergibt sich aus der Netzwerkeinrichtung, wie sie in den 1 oder 2 beispielhaft dargestellt ist, eine Hardware-Komponente mit der Möglichkeit, zwei redundante Kommunikationspfade oder -kanäle bereitzustellen. Gegenüber bekannten Netzwerkeinrichtungen, die zwei redundante Steuereinrichtungen oder CPUs aufweisen, aber nur einen Switch haben, wird die Zuverlässigkeit und Fehleranalysemöglichkeit verbessert.
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Schließlich zeigt die 3 eine Netzwerkanordnung 101 mit mehreren Netzwerkeinrichtungen, wie sie in der 2 als eine mögliche Ausführungsform dargestellt sind. In dem Ausführungsbeispiel der 3 sind drei Netzwerkknoten oder Netzwerkeinrichtungen 100, 200, 300 dargestellt, die jeweils zwei CPUs oder Steuereinrichtungen 2, 3, 202, 203, 302, 303 umfassen. Jede der CPUs 2, 3, 202, 203, 302, 303 hat eine zugeordnete Ethernet-Switch-Einrichtung 4, 5, 204, 205, 304, 305. Die jeweilige CPU 2, 3, 202, 203, 302, 303 ist über einen Kommunikationspfad 13, 14, 213, 214, 313, 314 direkt an die Switch-Einrichtung 4, 5 204, 205, 304, 305 verbunden. Dazu halten die Switch-Einrichtungen 4, 5, 204, 205, 304, 305 jeweils drei Ports 7–12, 207–212, 307–317 vor.
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Netzwerkknotenintern ist jeweils der zweite Port 8, 11, 208, 211, 308, 311 der Switch-Einrichtungen 4, 5, 204, 205, 304, 305 miteinander gekoppelt. Dies ist über den Pfeil in der 3 jeweils dargestellt. Darüber hinaus ermöglicht der dritte Port 9, 12, 209, 212, 309, 312 eine Ankopplung an das (Ether-)Netzwerk 6.
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Man kann insofern eine Ringstruktur zwischen den Netzwerkeinrichtungen 100, 200, 300 aufbauen. Dies ist über die Kommunikationspfade 15, 16, 17 als Pfeile angedeutet. Die Ausgestaltung der Netzwerkeinrichtungen bzw. -Knoten 100, 200, 300 ermöglicht einen sicheren Betrieb der Netzwerkanordnung 101. Dies ist insbesondere notwendig, wenn eine entsprechende Netzwerkanordnung 101 in Fahrzeugen oder sicherheitssensiblen Automatisierungsnetzwerken eingesetzt wird. Es ist zum Beispiel möglich, dass die erste Netzwerkeinrichtung 100 sicherheitsrelevante Sensordaten, beispielsweise die Fußstellung eines Gaspedals, erfasst, und dies einer Anzeigeeinrichtung, die dem Knoten 300 entspricht, übermittelt.
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Die entsprechende Gaspedalstellung wird über Sensordaten kodiert, welche die beiden CPUs 2, 3 erzeugen und deren zugeordnete Switch-Einrichtungen 4, 5 über die Ports 9, 12 dem Netzwerk übertragen. Die Daten sind zum Beispiel miteinander kodiert oder verknüpft enthalten jedoch im fehlerfreien Fall dieselbe Information. Die Daten gelangen über den Kommunikationspfad 15 zum Port 312 der Zielnetzwerkeinrichtung 300 bzw. deren Switch-Einrichtung 305. Über den Kommunikationspfad 16, 17 sollten im fehlerfreien Zustand dieselben Sensordaten vom Port 12 der Switch-Einrichtung 5 über die Switch-Einrichtung 204 und 205 an die Switch-Einrichtung 304 gelangen. Im fehlerfreien Betrieb erhalten die CPUs 302, 303 somit dieselben Daten. Ist einer der Kommunikationskanäle gestört, beispielsweise durch Ausfall der CPU 3, gelangen immer noch zuverlässig Sensordaten an die Anzeigeeinrichtung bzw. Netzwerkeinrichtung 300 über den Kommunikationspfad 15. Insofern wird durch die redundante Vorhaltung von Switch-Einrichtungen insgesamt die Fehlersicherheit und Robustheit einer entsprechenden Netzwerkanordnung 101 verbessert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
