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Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Umstrukturierung eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks, wobei das Simulationsnetzwerk mehrere Netzwerkknoten und mehrere Datenverbindungen aufweist, wobei jeder Netzwerkknoten mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle aufweist zum Anschluss einer Datenverbindung, wobei die Netzwerkknoten über die Datenverbindungen zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung stehen, und wobei im Betrieb des Simulationsnetzwerks auf wenigstens einem Netzwerkknoten eine Simulationsapplikation ausgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Steuergeräteentwicklung, insbesondere die Entwicklung von Steuergeräten, wie sie im automotiven Bereich in großer Zahl eingesetzt werden, aber auch in der Luft- und Raumfahrt und zur Steuerung anderer technischer Prozesse. Unter derartigen Steuergeräten werden heutzutage zumeist Kleinrechner mit einer I/O-Schnittstelle (I/O = Input/Output) verstanden, die oft mit einem echtzeitfähigen Betriebssystem ausgestattet sind, das die Realisierung - auch komplexer - zumeist regelungstechnischer Aufgaben auf dem Steuergerät gestattet. Die Steuergeräteentwicklung ist zentraler Bestandteil der technischen Entwicklung von umfangreichen gerätetechnischen Anlagen, wie sie aus der industriellen Praxis bekannt sind, beispielsweise und vornehmlich aus den eingangs genannten technischen Bereichen.
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Der Test eines im Endprodukt zum Einsatz kommenden Serien-Steuergeräts ist der Endpunkt einer Mehrzahl vorgelagerter Entwicklungsschritte einer auf dem Steuergerät zu implementierenden Steuergeräteapplikation (häufig eine Regelung oder Steuerung), wobei diese Entwicklungsschritte üblicherweise mit dem sogenannten V-Modell oder auch V-Zyklus beschrieben werden. Dazu werden die eingangs erwähnten verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerke benötigt. Am Anfang der für die Funktion vieler technischer Anlagen essenziellen Applikationsentwicklung steht die mathematische Modellierung beispielsweise eines Regelungsalgorithmus auf einem Rechner mit einer mathematisch-graphischen Modellierungsumgebung, wobei der Regler als Bestandteil des Steuergeräts aufzufassen ist. Zusätzlich wird auch die Umgebung des Steuergeräts mathematisch modelliert, da die Interaktion des Reglers auf dem Steuergerät mit dem zu steuernden Prozess von Interesse ist. Bei dieser funktionalen mathematischen Betrachtung ist eine Simulation in Echtzeit meist nicht erforderlich (Offline-Simulation).
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Im nächsten Schritt wird der zuvor entworfene Regelungsalgorithmus mit Hilfe des Rapid-Control-Prototyping (RCP) auf eine leistungsfähige, meist echtzeitfähige Hardware übertragen, die über geeignete I/O-Schnittstellen mit dem tatsächlichen physikalischen Prozess verbunden ist, also beispielsweise mit einem Kraftfahrzeug-Motor. Diese echtzeitfähige Hardware hat mit dem später zum Einsatz kommenden Serien-Steuergerät im Regelfall nichts zu tun, es geht hier um den Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit der zuvor entworfenen Regelung in der Praxis.
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In einem weiteren Schritt wird im Rahmen der automatischen Seriencodegenerierung die Regelung auf dem später im Serien-Steuergerät wahrscheinlich tatsächlich zum Einsatz kommenden Zielprozessor implementiert. Die Zielhardware nähert sich demnach in diesem Schritt dem Serien-Steuergerät an, ist mit dem Serien-Steuergerät aber nicht identisch. In einem weiteren Schritt wird das üblicherweise erst in einem späten Entwicklungsstadium vorhandene Serien-Steuergerät im Rahmen eines Hardware-In-the-Loop-Tests (HIL) überprüft. Das in diesem Schritt physikalisch vorhandene Serien-Steuergerät wird hier mittels einer physikalischen Steuergeräteschnittstelle mit einem leistungsfähigen Simulator verbunden. Der Simulator simuliert die benötigten Größen des zu testenden Serien-Steuergeräts und tauscht Ein- und Ausgangsgrößen mit dem Serien-Steuergerät aus.
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Das so im Rahmen der HIL-Simulation getestete Serien-Steuergerät wird letztendlich in dem „echten“ Zielsystem, also beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verbaut und in der echten physikalischen Umgebung getestet, die zuvor in der Simulationsumgebung nur vorgetäuscht worden ist.
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Es ist einleuchtend, dass zur Realisierung der verschiedenen Entwicklungsschritte, sei es in Form des Rapid-Control-Prototyping oder in Form der Hardware-In-The-Loop-Simulation, eine leistungsstarke echtzeitfähige Hardware vorliegen muss, die im Regelfall ein verteiltes Echtzeit-Simulationsnetzwerk bildet, das mehrere Netzwerkknoten und mehrere Datenverbindungen aufweist. Bei den Netzwerkknoten kann es sich beispielsweise um Rechenknoten handeln, also um Kleinrechner mit einem Echtzeit-Betriebssystem. Es kann sich auch um I/O-Knoten handeln, mit denen beispielsweise Messdaten von einem physikalischen Prozess messtechnisch erfasst werden, und die dann digitalisierte Werte in Form von Datenpaketen in das Simulationsnetzwerk weitergeben, oder die auch analoge Steuersignale ausgeben, um auf einen physikalischen Prozess einzuwirken, beispielsweise durch Ansteuerung eines Aktors. Zu den Netzwerkknoten gehören auch Kommunikationsknoten, die oft mit wenigstens zwei weiteren Knoten verbunden sind und die weniger der Signalgenerierung oder - verarbeitung dienen, sondern der Signalumsetzung (z. B. Umsetzung von Daten auf ein bestimmtes Protokoll) oder die der Serialisierung paralleler Datenströme dienen (Router) usw.
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Die Netzwerkknoten weisen mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle auf, über die sie mittels einer Datenverbindung mit wenigstens einem anderen Netzwerkknoten physikalisch in Verbindung stehen. Über die Datenverbindung stehen die Netzwerkknoten zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung, wobei eine Kommunikationsverbindung, wenn sie über mehrere Netzwerkknoten läuft, mehrere Datenverbindungen umfassen kann. Nicht jeder Knoten muss mit jedem anderen Knoten zwingend Daten austauschen, auch wenn das aufgrund der physikalischen Ausbildung des Simulationsnetzwerkes physikalisch möglich wäre. Die Netzwerkknoten - vereinfachend auch einfach nur Knoten - eines verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks sind häufig nicht über große Distanzen miteinander entfernt, sondern können beispielsweise sogar in einem gemeinsamen Gehäuse eines Simulators untergebracht sein. „Verteilt“ meint hier, dass die Netzwerkknoten über eine Datenverbindung Informationen austauschen und dies im Regelfall nicht durch Zugriff auf einen gemeinsamen Speicher tun können. Da das Echtzeit-Simulationsnetzwerk üblicherweise mit einem realen physikalischen Prozess verbunden ist, ist die Echtzeitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft. Wenn nachfolgend teilweise der Einfachheit halber nur von einem Simulationsnetzwerk die Rede ist, so ist doch stets ein Echtzeit-Simulationsnetzwerk gemeint.
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Im Betrieb des Simulationsnetzwerkes wird auf wenigstens einem Netzwerkknoten eine Simulationsapplikation ausgeführt. Dies wird üblicherweise auf einem Rechenknoten stattfinden, und zwar unter Verwendung eines echtzeitfähigen Betriebssystems, sodass ein regelungstechnisches Abtastsystem realisiert werden kann. Digitale Abtastsysteme setzen voraus, dass in einem bestimmten festen zeitlichen Raster Berechnungen zuverlässig durchgeführt und damit auch abgeschlossen werden können. Beispielsweise kann es bei hochdynamischen Regelungen erforderlich sein, einen vollständigen Berechnungsschritt der Simulationsapplikation oder einer Task - also einer Teilfunktionalität - der Simulationsapplikation in einer Mikrosekunde durchzuführen. Dazu müssen über die Datenverbindungen des Simulationsnetzwerkes entsprechende Messdaten von I/O-Netzwerkknoten in einem Mikrosekunden-Raster zu dem die Simulationsapplikation ausführenden Netzwerkknoten herangetragen werden, und entsprechend müssen dann in diesem Zeitraster auch entsprechende Stellgrößen von dem die Simulationsapplikation ausführenden Netzwerkknoten berechnet und an einen I/O-Netzwerkknoten weitergeleitet werden. Es kann sein, dass eine Simulationsapplikation, die auf einem Netzwerkknoten ausgeführt wird, verschiedene Tasks aufweist, die in unterschiedlichen Berechnungsschrittweiten ausgeführt werden müssen.
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Unter einer Simulationsapplikation wird hier ein Algorithmus verstanden, der auf einem Netzwerkknoten ausgeführt wird. Es kann durchaus sein, dass eine regelungstechnische Gesamtaufgabe auf mehrere Netzwerkknoten zur Berechnung verteilt ist, sodass jeder dieser mehreren Rechen-Netzwerkknoten eine Simulationsapplikation ausführt, wobei die verschiedenen Simulationsapplikationen dann zusammen die zu erzielende Gesamtfunktionalität ausmachen.
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Im Anwendungsfall RCP wird durch das Echtzeit-Simulationsnetzwerk das zu testende Steuergerät nachgebildet, wobei das Simulationsnetzwerk dann mit dem tatsächlich zu regelndem Prozess in Verbindung steht, nämlich über die I/O-Netzwerkknoten. Im Fall der HIL-Simulation wird mit dem Echtzeit-Simulationsnetzwerk die Umgebung eines praktisch fertig entwickelten Serien-Steuergeräts nachgebildet, wobei das Echtzeit-Simulationsnetzwerk dann wiederum über I/O-Rechenknoten mit dem Serien-Steuergerät in physikalischer Verbindung steht. In jedem Fall ist es also so, dass das Echtzeit-Simulationsnetzwerk über I/O-Schnittstellen bestimmter Netzwerkknoten mit einem echten technisch-physikalischen Prozess in Verbindung steht und auf diesen technisch-physikalischen Prozess im Betrieb einwirkt.
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In der Praxis ist die Auslegung eines solchen beschriebenen Echtzeit-Simulationsnetzwerks anspruchsvoll, da die Datenverbindungen und die in dem Simulationsnetzwerk realisierten Kommunikationsverbindungen so gewählt werden müssen, dass die tatsächlich erzielten Datenübertragungsraten nicht die Kanalkapazitäten, also die maximal erzielbaren Datenübertragungsraten auf einem Kommunikationspfad übersteigen. Es kommt sehr schnell vor, dass das Kommunikationsaufkommen in einem solchen Echtzeit-Simulationsnetzwerk nicht gut balanciert ist, bestimmte Kommunikationsverbindungen im Grenzbereich - oder auch darüber hinaus - ihrer Datenübertragungskapazität betrieben wird, während andere Datenverbindungen wenig ausgelastet sind. Das Gleiche gilt für Verzögerungszeiten, die auch als Latenzen bezeichnet werden, und die auf bestimmten Kommunikationsverbindungen in Kauf genommen werden müssen. Bei ungünstiger Auslegung des Simulationsnetzwerks sind über bestimmte Kommunikationsverbindungen nur sehr große Latenzen realisierbar, während auf anderen Kommunikationsverbindungen sehr kurze Latenzen realisiert werden können, sodass auch hier eine bessere Verteilung der Datenströme bzw. eine bessere Wahl der Kommunikationsverbindungen förderlich wäre. Die Auslegung der beschriebenen Echtzeit-Simulationsnetzwerke erfordert von den damit beschäftigten Applikations-Ingenieuren ein hohes Maß an Erfahrung. Ziel ist es, die vorhandenen Ressourcen des Simulationsnetzwerks möglichst vollständig auszunutzen, da ungenutzte Ressourcen in Form brachliegender Hardware mit erheblichen Kosten verbunden sein kann. Die Umstrukturierung von Simulationsnetzwerken nach dem Prinzip „Trial and Error“ ist uneffektiv und fehlerträchtig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein systematisches und computerimplementierbares Verfahren zur Umstrukturierung eines Echtzeit-Simulationsnetzwerks für die Steuergeräteentwicklung anzugeben, mit dem sich eine Struktur für das Echtzeit-Simulationsnetzwerk finden lässt, bei der kritische Kommunikationsverbindungen reduziert und möglichst vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst dadurch gekennzeichnet, dass die Topologie des Simulationsnetzwerks erfasst wird, sodass Topologieinformationen über die Netzwerkknoten und die Datenverbindungen zwischen den Netzwerkknoten vorliegen. Dieser Verfahrensschritt dient der exakten Erfassung der Topologie des vorgegebenen Echtzeit-S imu lationsnetzwerkes.
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Dann werden für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks Erwartungswerte für Knotendatenraten und/oder Knotenlatenzen ermittelt. Auch für die Datenverbindungen werden Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten ermittelt. Bei diesen verschiedenen Erwartungswerten handelt es sich um Annahmen hinsichtlich der sich möglicherweise einstellenden Knotendatenraten, Knotenlatenzen und/oder Datenübertragungsraten auf Datenverbindungen. Ferner werden die Kommunikationsverbindungen zwischen den Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerkes ermittelt. Die vorgenannten Verfahrensschritte können in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden.
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Nun werden für die ermittelten Kommunikationsverbindungen auf Grundlage der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen und/oder die Datenübertragungsraten der an der Kommunikationsverbindung beteiligten Netzwerkknoten und Datenverbindungen Erwartungswerte für Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder Kommunikationsverbindungs-Latenzen ermittelt. Da die Kommunikationsverbindungen innerhalb des Simulationsnetzwerkes die tatsächlich genutzten Datenübertragungspfade zwischen Netzwerkknoten darstellen, über die also kommuniziert wird, handelt es sich bei den Kommunikationsverbindungs-Datenraten und den Kommunikationsverbindungs-Latenzen um die eigentlich interessierenden Größen innerhalb des Simulationsnetzwerkes.
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Darüber hinaus werden für die Kommunikationsverbindungen Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen ermittelt. Für die Datenverbindung werden Grenzwerte für die Datenübertragungsraten ermittelt. Bei diesen Grenzwerten handelt es sich um Werte für die Datenraten bzw. Latenzen der Kommunikationsverbindungen und Werte für die Datenübertragungsraten auf den Datenverbindungen, die noch als akzeptabel angesehen werden. Bei dem Grenzwert für die Datenübertragungsrate kann es sich beispielsweise um die Kanalkapazität, also die maximal mögliche Datenübertragungsrate der Kommunikationsverbindung oder eines Teilstücks der Kommunikationsverbindung handeln oder auch einen prozentualen Anteil davon, wenn bestimmte Kapazitäten zur Sicherheit eingeplant werden sollen. Ein Grenzwert für die Datenübertragungsraten kann aber auch aus einem Vergleich der Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten resultieren bzw. aus einem daraus gebildeten Mittelwert, wenn gefordert wird, dass die Datenübertragungsraten auf verschiedenen Kommunikationsverbindungen nur zu einem bestimmten Grad voneinander abweichen sollen. Für die Realisierung des allgemeinen Erfindungsgedankens ist die genaue Methode der Ermittlung der verschiedenen Erwartungswerte und der verschiedenen Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten, die Kommunikationsverbindungs-Latenzen und die Datenübertragungsraten nicht entscheidend, entscheidend ist, dass Erwartungswerte und Grenzwerte zunächst - wie im Detail auch immer - ermittelt werden.
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In einem darauffolgenden Bewertungsschritt werden kritische Kommunikationsverbindungen ermittelt, indem die ermittelten Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder Kommunikationsverbindungs-Latenzen und/oder Datenübertragungsraten mit den Grenzwerten für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen und/oder für die Datenübertragungsraten der betreffenden Kommunikationsverbindungen verglichen werden. Aus dem Vergleich von Erwartungswerten und den korrespondierenden Grenzwerten auf den verschiedenen Kommunikationsverbindungen resultiert also eine Einschätzung, welche Kommunikationsverbindungen als kritisch zu bewerten sind. Die Bewertung wird durch einen numerischen Algorithmus vorgenommen, der sehr einfach aber auch sehr komplex definiert sein kann. Eine Regel könnte beispielsweise sein, dass eine Annäherung des Erwartungswertes der Datenübertragungsrate an den Grenzwert der Datenübertragungsrate über einen gewissen Anteil hinaus - beispielsweise über 80 % hinaus - zu einer Bewertung der Kommunikationsverbindung als kritisch führt. Ähnlich kann mit den Latenzen verfahren werden, dass nämlich eine Annäherung des Erwartungswertes für eine Kommunikationsverbindungs-Latenz an den Grenzwert für die entsprechende Kommunikationsverbindungs-Latenz über einen bestimmten Anteil hinaus - beispielsweise 80 % - ebenfalls zu einer Bewertung der Kommunikationsverbindung als kritisch resultiert.
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Schlussendlich wird in einem Umstrukturierungsschritt das vorgegebene Simulationswerk so umstrukturiert, dass kritische Kommunikationsverbindungen reduziert werden. Unter der Umstrukturierung des Simulationsnetzwerkes ist beispielsweise zu verstehen, dass neue Datenverbindungen zwischen kommunizierenden Netzwerkknoten eingerichtet werden, ggf. bestehende Datenverbindungen entfernt werden, dass Funktionalitäten von Netzwerkknoten anders verteilt werden, dass Simulationsapplikationen auf andere Netzwerkknoten verlagert werden oder Simulationsapplikationen aufgeteilt und auf verschiedene Netzwerkknoten verteilt werden, dass Netzwerkknoten, in denen viele Kommunikationspfade zusammenlaufen, entlastet werden, indem alternative Kommunikationspfade durch das Simulationsnetzwerk realisiert werden usw.
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Das zuvor beschriebene Verfahren zur Umstrukturierung eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks lässt sich auch iterativ durchführen, um so schrittweise eine bessere und gleichmäßigere Auslastung des Simulationsnetzwerkes zu erzielen.
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Mit der Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, die Ressourcen eines Echtzeit-Simulationsnetzwerks möglichst effizient einzusetzen, da - teilweise - Überdimensionierungen vermieden werden können und auf eine gleichmäßige Auslastung des Simulationsnetzwerks hingewirkt wird.
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Die Umstrukturierung kann je nach technischer Realisierung des Simulationsnetzwerks vollkommen automatisch erfolgen. Dies lässt sich beispielsweise dann besonders einfach realisieren, wenn als Ausgangssituation des Echtzeit-Simulationsnetzwerks eine vollvermaschte Struktur bereitgestellt wird, in der praktisch jeder Netzwerkknoten über eine Datenverbindung mit jedem anderen Netzwerkknoten verbunden ist, jedenfalls soweit dies technisch überhaupt sinnvoll ist. Es mag beispielsweise wenig sinnvoll erscheinen, I/O-Netzwerkknoten untereinander mit Datenverbindungen zu vernetzen, wohingegen es sinnvoll sein kann, Rechen-Netzwerkknoten sämtlich untereinander zu vernetzen. Im Rahmen der Durchführung des Verfahrens können dann Datenverbindungen innerhalb des Echtzeit-Simulationsnetzwerks fallengelassen werden, sodass das Simulationsnetzwerk hinsichtlich der Datenverbindungen ausgedünnt wird. Eine derartige Umstrukturierung kann irreversibel sein, beispielsweise bei Verwendung einer Fuse- oder Antifuse-Technologie, wie sie bei einmalig programmierbaren FPGAs (Field Programmable Gate Array) zu finden ist. Die Umstrukturierung kann auch einen reversiblen Charakter haben, beispielsweise wenn mehrfach programmierbare Strukturen verwendet werden, wie beispielsweise mehrfach konfigurierbare FPGAs.
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Die Umstrukturierung kann teilweise aber auch manuell erfolgen, wobei die Umstrukturierungsinformationen vollständig aus dem automatisierten Bewertungsschritt resultieren. Die Umstrukturierung, also das Entfernen von Datenverbindungen, das Verlegen von Simulationsapplikationen, das Verlegen von Kommunikationsverbindungen usw. kann dann teilweise manuell erfolgen. Die genauen Anweisungen, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, resultieren jedoch vollautomatisch aus der Durchführung des computerimplementierten Verfahrens. In einem Ausführungsbeispiel des computerimplementierten Verfahrens ist insbesondere vorgesehen, dass zur Verminderung von Latenzen auf einer Kommunikationsverbindung, bei der vor einem Umstrukturierungsschritt ein oder mehrere Kommunikations-Netzwerkknoten, bspw. Router, zwischen einem Rechen-Netzwerkknoten und einem I/O-Netzwerkknoten durchlaufen werden, ein Umstrukturierungsschritt derart durch das Verfahren vorgegeben wird, dass nach Vollendung des Umstrukturierungsschrittes eine Datenverbindung mit einer verringerten Anzahl von Kommunikations-Netzwerkknoten (bspw. Router) oder eine Datenverbindung mit keinem Kommunikations-Netzwerkknoten vorliegt. Nach einem der beiden letztgenannten Umstrukturierungsschritte wird somit bei einer Datenübertragung von dem I/O-Netzwerkknoten zu dessen korrespondierenden Rechen-Netzwerkknoten bspw. eine verringerte oder keine Übertragungslatenz, die einem oder mehreren Kommunikations-Netzwerkknoten zuzuordnen ist, festzustellen sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Topologie des Simulationsnetzwerkes gewonnen wird durch Aufrufen von auf den Knoten des Simulationsnetzwerkes implementierten Informationsdiensten, die bei Aufruf Informationen darüber zurückliefern, mit welchen Knoten sie unmittelbar verbunden sind, insbesondere über welche Datenverbindungen sie mit welchen Knoten unmittelbar verbunden sind. Diese Informationsdienste können sehr rudimentär sein und entsprechende Verbindungsinformationen an die aufrufende Stelle zurückliefern. Wenn von jedem Netzwerkknoten bekannt ist, mit welchem anderen Netzwerkknoten er direkt verbunden ist, lässt die Topologie des Echtzeit-Simulationsnetzwerkes ohne Weiteres eindeutig ermitteln. Alternativ ist vorgesehen, dass die Topologie des Simulationsnetzwerks gewonnen wird durch Einlesen einer Datei mit den Topologie-Informationen des vorgegebenen Simulationsnetzwerks.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im Umstrukturierungsschritt die kritischen Kommunikationsverbindungen im vorgegebenen Simulationsnetzwerk reduziert werden, indem im vorgegebenen Simulationsnetzwerk zumindest teilweise unter Beibehaltung der Topologie des Simulationsnetzwerks die Netzwerkknoten funktional erweitert und/oder funktional reduziert werden, und/oder indem die Datenverbindungen funktional erweitert und/oder funktional reduziert werden, und/oder indem Kommunikationsverbindungen zwischen Netzwerkknoten anders geführt werden. Die funktionale Erweiterung bzw. die funktional Reduzierung von Netzwerkknoten kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass Simulationsapplikationen anders zwischen Netzwerkknoten aufgeteilt werden. Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung der Funktionalität eines Netzwerkknotens kann darin bestehen, beispielsweise die Datenrate, mit der Informationen übertragen werden sollen, zu reduzieren. Auch kann beispielsweise die Auflösung von zu übertragenden Werten reduziert werden, sodass im Ergebnis die Bitlänge der zu übermittelnden Informationen reduziert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise in der - verlustfreien - Datenkompression, wobei hier zu berücksichtigen ist, dass dies möglicherweise zu einer größeren Latenz eines Netzwerkknotens führt. Die funktionale Erweiterung bzw. Reduzierung von Datenverbindungen kann dadurch erzielt werden, dass andere Übertragungsmedien eingesetzt werden, die abweichende Kanalkapazitäten aufweisen.
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Die Reduzierung von kritischen Kommunikationsverbindungen im vorgegebenen Simulationsnetzwerk kann alternativ oder zusätzlich dadurch erreicht werden, dass das vorgegebene Simulationsnetzwerk zumindest teilweise unter Veränderung des Simulationsnetzwerks um wenigstens einen zusätzlichen Netzwerkknoten und um wenigstens eine zusätzliche Datenverbindung erweitert und/oder um wenigstens einen bestehenden Netzwerkknoten, und um wenigstens eine bestehende Datenverbindung reduziert wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen gewonnen werden durch Summierung der Datenraten der angeschlossenen Netzwerkknoten. Die Datenraten der angeschlossenen Netzwerkknoten können auf unterschiedliche Art und Weise gewonnen werden, was nachfolgend noch erläutert werden wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass als Grenzwerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen die Kanalkapazitäten der Datenverbindungen herangezogen werden, also die maximalen Datenübertragungsraten, die mit den Datenverbindungen möglich sind.
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Nachfolgend werden drei Varianten zur Ausgestaltung des bislang beschriebenen Verfahrens dargestellt, die sich in der Art und Weise der Ermittlung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder für die die Knotenlatenzen der Netzwerkknoten und/oder für die Ermittlung der Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen unterscheiden.
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Gemäß einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ermittelt werden aufgrund der Hardwarespezifikation der Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks, insbesondere ohne Berücksichtigung von Simulationsapplikationen des jeweiligen Netzwerkknotens, insbesondere ohne Berücksichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen des betreffenden Netzwerkknotens. Hiermit sind nur vergleichsweise grobe Abschätzungen für die genannten Erwartungswerte möglich. Insbesondere wird nicht berücksichtigt, welche Simulationsapplikationen mit wieviel unterschiedlichen Tasks und mit welchen Abtastzeiten berechnet werden, mit welcher Frequenz Daten aufgenommen und/oder über welche Kanäle Daten versendet werden und wie beispielsweise I/O-Netzwerkknoten parametriert sind (Abtastrate, Auflösung). Deshalb bietet sich diese Variante der Ermittlung der Erwartungswerte dazu an, worst-case Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks zu ermitteln, indem Maximalwerte der Knotendatenraten und/oder der Knotenlatenzen für die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen herangezogen werden. Dies führt jedenfalls zu der Erkenntnis, ob die Auslegung des Echtzeit-Simulationsnetzwerks auch unter durchweg sehr ungünstig angenommenen Bedingungen funktionsfähig ist oder nicht.
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Bei einer Weiterbildung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist vorgesehen, dass aus einer Mehrzahl an bekannten, funktionsfähig konfigurierten Echtzeit-Simulationsnetzwerken Mittelwerte für tatsächliche Knotendatenraten und/oder Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ermittelt werden und diese Mittelwerte als Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks gewählt werden. Bei dieser Ausgestaltung der ersten Variante zur Ermittlung von Erwartungswerten werden auch keine applikationsspezifischen Informationen verwendet, also Informationen, die den Betrieb des konkret vorgegebenen Echtzeit-Simulationsnetzwerks betreffen, sondern lediglich die Hardware-Informationen über das Simulationsnetzwerk. Jedoch werden Erfahrungswerte aus anderen Simulationsnetzwerken herangezogen, die über die gleichen Netzwerkknoten verfügen. Dies setzt voraus, dass entsprechende Informationen über funktionsfähig konfigurierte Echtzeit-Simulationsnetzwerke vorliegen. In einer Ausführungsvariante des computerimplementierten Verfahrens ist beispielsweise vorgesehen, o.g. Erfahrungswerte, umfassend eine applikationsspezifische Aufrufrate aperiodischer Tasks und/oder umfassend eine applikationsspezifische Bearbeitungsdauer aperiodischer Tasks, für die Ermittlung eines/mehrerer Erwartungswerte/s heranzuziehen.
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Gemäß einer zweiten Variante zur Bestimmung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks werden diese Erwartungswerte ermittelt unter Berücksichtigung von Simulationsapplikationen der jeweiligen Netzwerkknoten, insbesondere unter Berücksichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es nicht erforderlich, dass die Simulationsapplikationen auch ausgeführt werden, wichtig ist lediglich, dass die Kenntnis über relevante Parameter der Simulationsapplikationen und/oder der Hardwareparametrierungen vorliegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten ermittelt werden unter Berücksichtigung der Rechenschrittweite von periodischen Tasks und/oder angenommener Aufrufraten und Bearbeitungsdauern von aperiodischen Tasks, der Größe von berechneten und verschickten Datenpaketen in Tasks, der Konfiguration von I/O-Funktionen, insbesondere der Aufrufrate und der Größe bearbeiteter I/O-Datenpakete.
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Periodische Tasks sind Funktionen innerhalb von Simulationsapplikationen, die in einem bestimmten konstanten zeitlichen Abstand, der Rechenschrittweite, ausgeführt werden. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn numerische Verfahren zur Lösung von Gleichungen - auch Differenzialgleichungen - im Rahmen einer solchen periodischen Task ausgeführt werden. Eine solche Rechenschrittweite liegt typischerweise im Bereich von Millisekunden, bei anspruchsvollen, sehr dynamischen Aufgaben kann die Rechenschrittweite heutzutage aber auch im Bereich von Mikrosekunden liegen. Während die periodischen Tasks durch ein festes zeitliches Raster getrieben sind, werden aperiodische Tasks durch Einflüsse ausgelöst, die nicht in einem vorhersehbaren zeitlichen Raster liegen, sondern beispielsweise durch äußere Einflüsse ausgelöst werden. In der praktischen Umsetzung werden derartige Tasks - also Funktionen innerhalb einer Simulationsapplikation - mit einem Interrupt verknüpft und dann bedarfsweise - eben ereignisgetrieben bzw. aperiodisch - ausgeführt. Da nicht ohne Weiteres vorhersehbar ist, wie häufig derartige aperiodische Tasks aufgerufen werden, wird in dieser Ausgestaltung des Verfahrens mit angenommenen Aufrufraten gearbeitet.
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Genauso wird berücksichtigt, wie groß die bei der Ausführung einer - periodischen oder aperiodischen - Task ggf. verschickten Datenpakete sind, da dies genauso entscheidend ist für die dann resultierende Datenübertragungsrate, die ein Netzwerkknoten verursacht und die demzufolge über eine Datenverbindung und demzufolge auch über eine Kommunikationsverbindung zu übertragen ist. Netzwerkknoten, die als I/O-Netzwerkknoten realisiert sind, führen meist keine frei programmierbare Simulationsapplikation durch, sondern eine durch die Fähigkeiten der Hardware festgelegte I/O-Funktionalität, beispielsweise eine Analog/Digital-Wandlung, die aber in gewissen Grenzen parametriert werden kann. Beispielsweise können I/O-Netzwerkknoten durch Parametrierung häufig vorgegeben werden, mit welcher Rate sie Daten erfassen und/oder ausgeben und mit welcher numerischer Auflösungen dies erfolgt, was Einfluss auf die Größe der bearbeiteten I/O-Datenpakete hat.
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Diese zweite Variation zur Ermittlung von Erwartungswerten ist grundsätzlich erheblich präziser als das reine Arbeiten mit Hardware-Spezifikationen von Netzwerkknoten und Datenverbindungen. Jedoch werden hier nicht berücksichtigt - und können auch nicht berücksichtigt werden - mögliche Verzögerungen, die in echten Simulationsnetzwerken üblicherweise auftreten. Beispielsweise können Kollisionen zwischen Datenübertragungen verschiedener Netzwerkknoten vorkommen, die ein und dieselbe Datenverbindung nutzen. Dies kann dazu führen, dass ein von einem Netzwerkknoten zu verschicken beabsichtigtes Datenpaket mit einer gewissen Zeitverzögerung erneut abgeschickt werden muss, sodass sich Latenzen ergeben, die bei einer rein theoretischen Betrachtung, beispielsweise gemäß der zweiten Variante der Ermittlung von Erwartungswerten, nicht berücksichtigt werden.
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Um auch diese Effekte zu berücksichtigen, ist gemäß einer dritten Variante zur Ermittlung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder für die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten und/oder die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen des Simulationsnetzwerks vorgesehen, diese Erwartungswerte durch Messung im Simulationsnetzwerk zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder die Kommunikationsverbindungs-Latenzen ermittelt durch Messung im Betrieb des Simulationsnetzwerks, wozu es erforderlich ist, die Simulationsapplikationen auf dem entsprechenden Netzwerkknoten während der Messung auszuführen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zur Messung der Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen vorgesehen, dass eine synchrone Uhrzeit für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks eingerichtet wird. Jeder sendende Netzwerkknoten verschickt das von ihm verschickte Datum, also das von ihm verschickte Datenpaket, mit einem Versand-Zeitstempel. Der letzte empfangende Netzwerkknoten in der Kommunikationsverbindung kann dann aus der Empfangszeit des empfangenen Datums bzw. des Datenpakets und durch Auswertung des Versand-Zeitstempels den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz der entsprechenden Kommunikationsverbindung ermitteln. Da dies bei Ausführung der Simulationsapplikationen auf dem Netzwerkknoten geschieht, werden auch zusätzliche zeitliche Verzögerungen beim realen Betrieb des Simulationsnetzwerkes - beispielsweise durch Kollisionen auf den Kommunikationsverbindungen - berücksichtigt.
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Alternativ können die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen gemessen werden, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks eingerichtet wird, und indem eine Echofunktionalität in den Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerkes implementiert wird. Eine solche Echofunktionalität ist auch unter dem Begriff „Ping“ im Bereich der Datenübertragung an sich bekannt. Die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen werden dann gemessen, indem der im Betrieb des Simulationsnetzwerks empfangende Netzwerkknoten oder der sendende Netzwerkknoten einer Kommunikationsverbindung an den im Betrieb des Simulationsnetzwerks entsprechend sendenden Netzwerkknoten oder den empfangenden Netzwerkknoten eben dieser Kommunikationsverbindung eine Echo-Aufforderung sendet und der die Echo-Aufforderung sendende Netzwerkknoten nach Empfang des Echosignals die Echoumlaufzeit bestimmt und daraus den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz ermittelt. Diese Messung kann insbesondere vorgenommen werden, wenn das Simulationsnetzwerk während Durchführung des Echoverfahrens nicht betrieben wird, also die Simulationsapplikationen auf dem Netzwerkknoten nicht ausgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, das Simulationsnetzwerk während der Durchführung des Echoverfahrens zu betreiben, also die Simulationsapplikationen auf dem Netzwerkknoten auszuführen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und aller Varianten des zuvor beschriebenen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird, der mit dem Simulationsnetzwerk über eine Datenverbindung verbunden ist, oder dass das Verfahren auf einem als Rechenknoten ausgebildeten Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ausgeführt wird.
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Die eingangs hergeleitete Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß der vorangestellten Beschreibung auszuführen. Ebenso wird die hergeleitete Aufgabe gelöst durch ein computerlesbares Speichermedium, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Wenn hier von einem Computer die Rede ist, dann kann es sich dabei - wie bereits oben ausgeführt - um einen Rechner handeln, der mit dem Simulationsnetzwerk über eine Datenverbindung verbunden ist, oder es kann sich auch um einen als Rechenknoten ausgebildeten Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks handeln.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines HIL-Simulators, mit dem ein Echtzeit-Simulationsnetzwerk realisiert ist, wobei an den HIL-Simulator Steuergeräte angeschlossen sind,
- 2 schematisch ein Simulationsnetzwerk mit verschiedenen Netzwerkknoten und mit mehreren Datenverbindungen,
- 3 das Simulationsnetzwerk aus 2, das gemäß einer ersten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird,
- 4 eine tabellarische Darstellung der ersten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks gemäß 3,
- 5 das Simulationsnetzwerk gemäß 2, das gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird,
- 6 eine tabellarische Darstellung der zweiten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks nach 5,
- 7 das Simulationsnetzwerk gemäß 2, das gemäß einer dritten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird und
- 8 eine tabellarische Darstellung der dritten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks gemäß 7.
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Die Figuren beschreiben insgesamt ein computerimplementiertes Verfahren 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2, nachfolgend auch einfach nur als „Simulationsnetzwerk“ bezeichnet, wie es für die Steuergeräteentwicklung eingesetzt wird.
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Die 1 und 2 stellen typische Situationen bei der Entwicklung von Steuergeräten dar, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. In 1 ist ein Hardware-in-the-Loop- Simulator 3 dargestellt, mit dem das vorgegebene verteilte Echtzeit-Simulationsnetzwerk 2 realisiert ist. Die Netzwerkknoten 4 des Simulationsnetzwerks 2 liegen hier unter anderem als Einsteckkarten des HIL-Simulators 3 vor. Die Netzwerkknoten 4 sind über mehrere Datenverbindungen DV zumindest teilweise miteinander verbunden. Dazu weist jeder Netzwerkknoten 4 mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle auf, die zum Anschluss einer Datenverbindung DV dient. Die Netzwerkknoten 4 stehen über die Datenverbindungen DV zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung KV. Eine Kommunikationsverbindung ist also innerhalb des Simulationsnetzwerks 2 ein Pfad, über den zwei Netzwerkknoten tatsächlich Informationen austauschen. Im Betrieb des Simulationsnetzwerks 2 wird auf wenigstens einem der Netzwerkknoten 4 eine Simulationsapplikation 5 ausgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um ein technisch-mathematisches Fahrzeugmodell.
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Die Netzwerkknoten 4 weisen unterschiedliche Funktionalitäten auf. Es gibt Netzwerkknoten 4, die als Rechen-Netzwerkknoten RK ausgeführt sind. Sie stellen Kleinrechner dar, auf denen ein Echtzeit-Betriebssystem ausgeführt wird. Andere Netzwerkknoten 4 realisieren Kommunikations-Netzwerkknoten R. Sie dienen beispielsweise der Serialisierung paralleler Datenströme. Wiederum andere Netzwerkknoten 4 sind als I/O-Netzwerkknoten IO ausgeführt. Mit ihnen können Messdaten von einem externen physikalischen Prozess aufgenommen werden, oder es können von ihnen Signale zur Beeinflussung des externen physikalischen Prozesses ausgegeben werden. Der externe physikalische Prozess ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Steuergeräte 8 gegeben. Die Steuergeräte 8 sind signaltechnisch mit dem Simulationsnetzwerk 2 verbunden, was in 1 nur angedeutet ist. Bei Betrieb des Simulationsnetzwerks 2 wechselwirkt das Simulationsnetzwerk 2 mit den angeschlossenen Steuergeräten 8. Die Steuergeräte 8 werden hier mit Hilfe des HIL-Simulators 3 auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist nur beispielhaft, es sind vollkommen andere gerätetechnische Aufbauten möglich.
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In den Figuren sind die verschiedenen Komponenten der dargestellten Simulationsnetzwerke 2 mit dem jeweils schon oben genannten generischen Stammkürzel (z. B. DV, RK, R, IO usw.) und mit einer nachfolgenden Ziffer bezeichnet (z. B. DV1, RK2, R1, 103). Im Folgenden werden die Bezeichner für die verschiedenen Netzwerkknoten 4 des Simulationsnetzwerks 2 teilweise in der generischen Art und Weise verwendet, wenn es auf das genaue Element des Simulationsnetzwerks 2 nicht ankommt. Ist ein spezielles Element gemeint, also beispielsweise ein spezieller Rechenknoten in einem dargestellten Simulationsnetzwerk, dann ist beispielsweise vom Rechenknoten RK2 die Rede und nicht nur von einem Rechenknoten RK.
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In 2 ist etwas genauer ein Simulationsnetzwerk 2 dargestellt, wenngleich die Darstellung auch nur schematisch ist. Das Simulationsnetzwerk 2 verfügt über zwei Rechen-Netzwerkwerkknoten RK1, RK2, über zwei Kommunikations-Netzwerkknoten R1, R2 in Form von Routern und über fünf I/O-Netzwerkknoten 101, 102, 103, 104, 105. Die Netzwerkknoten 4 sind insgesamt über mehrere Datenverbindungen DV, nämlich die Datenverbindungen DV0, DV1, ..., DV8 in bestimmter Weise miteinander verbunden. Nicht jeder Netzwerkknoten 4 ist mit jedem anderen Netzwerkknoten 4 verbunden, es existieren also nur ausgewählte Datenverbindungen DV zwischen den Netzwerkknoten 4.
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Die Netzwerkknoten 4 kommunizieren in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung, die mit dem Simulationsnetzwerk 2 durchgeführt wird, untereinander über bestimmte Kommunikationsverbindungen KV, von denen hier der besseren Übersicht halber nur zwei Kommunikationsverbindungen KV1, KV2 dargestellt sind. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verschickt der I/O-Netzwerkknoten IO1 Messdaten über den Kommunikations-Netzwerkknoten R1 an den Rechen-Netzwerkknoten RK1. Ebenso sendet der I/O-Netzwerkknoten 104 Messdaten über den Kommunikations-Netzwerkknoten R2 an den Rechen-Netzwerkknoten RK2. Kommunikationsverbindungen KV sind also die Kommunikationsverbindungen, die tatsächlich zwischen miteinander kommunizierenden Netzwerkknoten 4 ausgebildet sind, sie können also mehrere Datenverbindungen DV nutzen.
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Bei der Auslegung und Implementierung von derartigen Simulationsnetzwerken 2 muss die Struktur des Simulationsnetzwerks 2 mit großer Umsicht gewählt werden, damit das Simulationsnetzwerk 2 im Betrieb nicht an seine funktionalen Grenzen stößt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Datenverbindungen DV von den Netzwerkknoten 4 in Summe mit so hohen Datenübertragungsraten beaufschlagt werden, dass sie an ihre Kanalkapazität stoßen. Eine Überlastung kann auch dann gegeben sein, wenn die Verzögerungen bei der Übertragung von Datenpaketen zwischen Netzwerkknoten 4, die sog. Latenzen, größer sind, als dies gewünscht und auch erforderlich ist.
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Mit den in den 3 bis 8 dargestellten computerimplementierten Verfahren 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerkes 2 ist es möglich, ein vorgegebenes Echtzeit-Simulationsnetzwerk 2 systematisch so umzustrukturieren, dass kritische Kommunikationsverbindungen automatisch erkannt und zumindest reduziert oder auch gänzlich beseitigt werden.
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In den 3, 5 und 7 sind jeweils Simulationsnetzwerke 2 dargestellt, die jeweils gleiche Komponenten aufweisen, also gleiche Netzwerkknoten 4 und gleiche Datenverbindungen DV zwischen den Netzwerkknoten 4. Die Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2 sind jeweils dazu vorgesehen, eine Simulationsapplikation 5 auszuführen. Die Simulationsapplikation 5 auf den Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2 unterscheiden sich funktional voneinander und realisieren zusammen eine Gesamtanwendung des Simulationsnetzwerks 2.
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Den in den 3 und 4, in den 5 und 6 und in den 7 und 8 dargestellten drei unterschiedlichen Varianten des Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U des jeweils dargestellten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 sind die folgenden Verfahrensschritte gemein. Zunächst wird die Topologie des Simulationsnetzwerks 2 jeweils erfasst, sodass Topologie-Informationen 6 über die Netzwerkknoten 4 und die Datenverbindungen DV zwischen den Netzwerkknoten 4 vorliegen. Dies ist jeweils in den Tabellen gemäß den 4, 6 und 8 dargestellt, wobei die Netzwerkknoten 4 jeweils vollständig erfasst sind. Die Informationen, welche Netzwerkknoten 4 mit welchen Datenverbindungen DV verbunden sind, sind hier im Einzelnen der Übersicht halber nicht dargestellt. In den Tabellen sind jedenfalls die Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2, die Kommunikations-Netzwerkknoten R1, R2 und die I/O-Netzwerkknoten IO1, ... , IO5 erfasst. Auch sind jeweils erfasst sämtliche Datenverbindungen DV0 bis DV8.
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Für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2 werden dann Erwartungswerte E-KDR für die Knotendatenraten und Erwartungswerte E-KL für die Knotenlatenzen ermittelt. Die Knotendatenraten sind dabei die Datenraten, die von den jeweiligen Netzwerkknoten RK, R, IO erzeugt, empfangen oder übermittelt werden können. Bei den Knotenlatenzen handelt es sich um die Zeitverzögerungen, mit denen die Netzwerkknoten RK, R, IO das Aussenden, Empfangen und Übermitteln von Datenpaketen verzögern. Ferner werden für die Datenverbindungen DV Erwartungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten ermittelt. Die Erwartungswerte für die vorgenannten Größen sind jeweils in der zweiten, dritten und vierten Spalte der dargestellten Tabellen aufgeführt.
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Darüber hinaus werden die Kommunikationsverbindungen KV zwischen den Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ermittelt, also die Datenpfade, über die die verschiedenen Netzwerkknoten 4 von Ende zu Ende kommunizieren. Die Kommunikationsverbindungen KV sind in den 3, 5 und 7 jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet. In den Tabellen sind die teilnehmenden Elemente des jeweiligen Simulationsnetzwerks 2 nicht noch einmal separat aufgeführt, die Kommunikationsverbindungen KV als solche werden jedoch jeweils in einer Spalte der entsprechenden Tabellen geführt.
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Für die Kommunikationsverbindungen KV wird auf Grundlage der Erwartungswerte E-KDR für die Knotendatenraten und/oder auf Grundlage der Erwartungswerte E-KL für die Knotenlatenzen und/oder für die Erwartungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten der an der jeweiligen Kommunikationsverbindung KV beteiligten Netzwerkknoten 4 und Datenverbindungen DV Erwartungswerte für Kommunikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR und/oder für Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVL ermittelt. Diese ermittelten Erwartungswerte sind in den jeweiligen Spalten für die Kommunikationsverbindungen KV aufgeführt.
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Für die Kommunikationsverbindungen KV werden dann Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten G-KVDR und/oder Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen G-KVL ermittelt, und für die Datenverbindungen DV werden Grenzwerte für die Datenübertragungsraten G-DVDR ermittelt. Diese Grenzwerte können beispielsweise von dem mit der Auslegung des Simulationsnetzwerks befassten Ingenieur vorgegeben werden. Es können sich aber auch um Vorgabewerte aus verschiedenen vorgegebenen Entwurfsschemata handeln. Beispielsweise könnten bei einem sicheren Entwurfsschemata verhältnismäßig kleine Grenzwerte vorgegeben werden, während bei einem Entwurfsschemata mit möglichst vollständiger Ressourcennutzung auch größere Grenzwerte akzeptabel sind.
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An dieser Stelle ist es im Einzelnen noch nicht von Interesse, wie genau die verschiedenen Erwartungswerte und wie genau die verschiedenen Grenzwerte ermittelt bzw. gewählt werden, wichtig ist hier zunächst, dass diese Werte - oder eine Auswahl davon - überhaupt ermittelt bzw. gewählt oder vorgegeben werden.
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In einem Bewertungsschritt BS werden dann kritische Kommunikationsverbindungen ermittelt, indem die ermittelten Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR und/oder für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVL und/oder für die Datenübertragungsraten E-DVDR mit den Grenzwerten für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten G-KVDR und/oder für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen G-KVL und/oder für die Datenübertragungsraten G-DVDR der betreffenden Kommunikationsverbindung KV bzw. der betreffenden oder beteiligten Datenverbindung DV verglichen werden. Die Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten G-KVDR und für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen G-KVL sind in den Tabellen jeweils auch in den Spalten für die jeweilige Kommunikationsverbindung KV eingetragen.
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Das Ergebnis des Bewertungsschrittes BS ist in den Tabellen jeweils symbolisiert entweder durch einen Haken, wenn der Bewertungsschritt ergeben hat, dass die untersuchte Kommunikationsverbindung KV unkritisch ist, also die Grenzwerte von den korrespondierenden Erwartungswerten nicht überschritten werden, oder durch ein Blitzsymbol, wenn sich die untersuchte Kommunikationsverbindung KV als kritisch herausgestellt hat, also ein Erwartungswert den korrespondierenden Grenzwert überschreitet. Sind kritische Kommunikationsverbindungen KV erkannt worden, lassen sich auch die an den kritischen Kommunikationsverbindungen beteiligten Komponenten des Simulationsnetzwerks 2 ausfindig machen, dargestellt in der mit BS überschriebenen Spalte in den jeweiligen Tabellen.
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Den dargestellten drei Verfahrensvarianten ist ebenfalls gemeinsam, dass in einem Umstrukturierungsschritt U das vorgegebene Simulationsnetzwerk 2 so umstrukturiert wird, dass kritische Kommunikationsverbindungen KV reduziert werden, idealerweise in Gänze eliminiert werden. Entsprechende Umstrukturierungsmaßnahmen sind in den Tabellen in der mit U überschriebenen Spalte bzw. in den mit U1 und U2 überschriebenen Spalten vermerkt.
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Nachdem die gemeinsamen Merkmale für die verschiedenen Varianten des Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 erläutert worden sind, werden nachfolgend zu den einzelnen Verfahrensvarianten im Wesentlichen nur noch die kennzeichnenden Merkmale der Varianten des Verfahrens 1 erörtert.
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Das in den 3 und 4 dargestellte Verfahren 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und für die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2 ermittelt werden aufgrund der Hardwarespezifikationen der Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2, vor allem ohne Berücksichtigung der Simulationsapplikationen 5 der Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2 und ohne Berücksichtigung sonstiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO. Da die Simulationsapplikationen 5 der Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2 und sonstige Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R und IO nicht berücksichtigt werden, ist nicht bekannt, welche Kommunikationsverbindungen KV zwischen den Netzwerkknoten RK, R, IO existieren, es werden deshalb mögliche sinnvolle Kommunikationsverbindungen KV angenommen. Als nicht sinnvoll werden hier betrachtet Kommunikationsverbindungen zwischen I/O-Netzwerkknoten IO. Es resultieren damit neun Kommunikationsverbindungen KV1, ..., KV9, die in 3 als gestrichelte Linien angedeutet sind.
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Da Informationen über die Simulationsapplikationen 5 und etwaige Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO nicht herangezogen werden (können), wird hier mit den Maximalwerten für die Knotendatenraten und die Knotenlatenzen eine Ermittlung der entsprechenden Erwartungswerte vollzogen. In den Kommunikationsverbindungen KV werden die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten E-DVDR der Datenverbindungen DV gewonnen durch Summierung der Datenübertragungsraten der angeschlossenen Netzwerkknoten. Beispielsweise laufen die I/O-Netzwerkknoten 101, 102 und 103 in dem Kommunikations-Netzwerkknoten R1 zusammen. Im ungünstigsten Fall kommunizieren alle I/O-Netzwerkknoten IO1, 102, 103 über den Kommunikations-Netzwerkknoten R1 zu dem Rechen-Netzwerkknoten RK1. Für die Datenverbindung DV1 ergibt sich daher ein Erwartungswert für die Datenrate von 1,4 Gbps („bps“ bezeichnet nachfolgend immer „bits per second“) als Summe aus den erwarteten Knotendatenraten der I/O-Netzwerkknoten IO1, 102, 103. Die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR der I/O-Netzwerkknoten IO1, 102 und 103 sind, wie bereits ausgeführt, Maximalwerte. Als Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate E-KVDR der Kommunikationsverbindung KV2 ergibt sich daher ebenfalls ein Maximalwert von 1,4 Gbps.
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Als Grenzwert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate G-KVDR der Kommunikationsverbindung KV2 wird die kleinste Kanalkapazität der beteiligten Datenverbindungen herangezogen. Da alle beteiligten Datenverbindungen eine Kanalkapazität von 1,2 Gbps haben, ist dies auch der Grenzwert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate der Kommunikationsverbindung KV2. Die Grenzwerte für die Datenübertragungsraten G-DVDR der Datenverbindungen DV0 bis DV8 werden entsprechend gewählt, sie entsprechen also den jeweiligen Kanalkapazitäten.
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Im Bewertungsschritt BS wird gefordert, dass der Erwartungswert E-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten den Grenzwert G-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten nicht überschreiten darf. Diese Bedingung ist für die Kommunikationsverbindung KV2 nicht erfüllt. Im Übrigen ist sie auch für weitere Kommunikationsverbindungen nicht erfüllt, die in der tabellarischen Auflistung aus Gründen der Übersicht jedoch ausgelassen worden sind. Durch Vergleich der Erwartungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten der beteiligten Datenverbindungen mit den Grenzwerten G-DVDR für die Datenübertragungsraten der beteiligten Datenverbindungen wird ersichtlich, dass die Ursache für die kritische Einstufung der Kommunikationsverbindung KV2 die Datenverbindung DV1 ist. Der Umstrukturierungsschritt U1 zur Beseitigung der kritischen Kommunikationsverbindung KV2 besteht hier darin, dass die Datenverbindung DV1 funktional erweitert wird, indem sie durch eine Datenverbindung ersetzt wird, die eine mehr als doppelt so große Kanalkapazität von 2,5 Gbps hat. Das Gleiche gilt für die Datenverbindung DV2, was hier im Einzelnen nicht erörtert ist.
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Als zweite Umstrukturierungsmaßnahme U2 wird vorgeschlagen, die Funktionalität der I/O-Netzwerkknoten 102 und 103 zu reduzieren, nämlich durch Drosselung der maximal erlaubten Datenrate auf jeweils 400 Mbps. Auch diese Maßnahme macht keine Änderung der Topologie des in 3 dargestellten Simulationsnetzwerks 2 erforderlich.
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In den 5 und 6 ist eine zweite Variante des Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 gezeigt. Diese zweite Variante des Verfahrens 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und/oder die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2 ermittelt werden unter Berücksichtigung von Simulationsapplikationen 5 der jeweiligen Netzwerkknoten und auch unter Berücksichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO. Die Berücksichtigung dieser Informationen ermöglicht eine weitaus genauere Abschätzung der verschiedenen Erwartungswerte, da nun Anhaltspunkte existieren, über die Erzeugungsraten von Daten und damit über das Datenaufkommen auf den Datenverbindungen DV. Gleichzeitig ist damit auch bekannt, wer Sender und wer Empfänger von Datenpaketen ist, sodass auch die Kommunikationsverbindungen KV exakt bestimmt werden können.
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Das Simulationsnetzwerk gemäß 5 ist strukturell identisch mit dem Simulationsnetzwerk gemäß 3, jedoch unterscheiden sich aufgrund der verschiedenen Vorgehensweise die Daten in der tabellarischen Übersicht gemäß 4 und der tabellarischen Übersicht gemäß 6 recht erheblich. Teilweise sind auch andere Vorgaben gemacht worden, sodass die Ausführungsbeispiele nicht ohne Weiteres vergleichbar sind. Die Ausführungsbeispiele sind also jeweils für sich zu sehen. Die Topologieinformationen 6 sind im Grunde vergleichbar mit dem zuvor behandelten Ausführungsbeispiel. Jedoch sind erheblich weniger Kommunikationsverbindungen KV vorhanden, nämlich insgesamt nur sechs Kommunikationsverbindungen KV1 bis KV6. In dem tabellarischen Überblick ist die Kommunikationsverbindung KV4 aus Platzgründen nicht dargestellt.
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Bei der Berücksichtigung der Simulationsapplikationen 5 ist insbesondere vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und/oder für die Knotenlatenzen E-KL ermittelt werden unter Berücksichtigung der Rechenschrittweite TS von periodischen Tasks und angenommener Aufrufraten und Bearbeitungsdauern von aperiodischen Tasks. Auch wird berücksichtigt die Größe von berechneten und verschickten Datenpaketen in Tasks der Simulationsapplikationen 5, die Konfiguration von I/O-Funktionen der I/O-Netzwerkknoten IO und die Aufrufrate und die Größe bearbeiteter I/O-Datenpakete. Im Ergebnis ist festzustellen, dass erheblich kleinere Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und auch für die Datenverbindungsdatenraten E-DVDR resultieren, da die betroffenen Netzwerkknoten RK, R, IO in ihrer Funktionalität tatsächlich nicht vollständig ausgelastet werden. Die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten E-DVDR der Datenverbindungen DV sind ähnlich ermittelt worden, wie dies anhand der 3 und 4 beschrieben worden ist, nämlich durch Betrachtung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR, mit denen die beteiligten Netzwerkknoten 4 in die beteiligte Datenverbindung DV einspeisen. Die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVDR sind ebenfalls durch Summenbildung der Latenzen der beteiligten Netzwerkknoten 4 ermittelt worden.
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Auf Grundlage der so ermittelten Daten wird eine kritische Kommunikationsverbindung KV3 ermittelt. Hier ist der Erwartungswert E-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate etwas größer als der korrespondierende Grenzwert G-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate. Als Lösungsmöglichkeit wird hier angeboten - und ggf. auch automatisch umgesetzt - die Knotendatenraten der I/O-Netzwerkknoten 102 und 103 um jeweils 25 % zu reduzieren, indem nämlich die von den I/O-Netzwerkknoten durchgeführte Analog/Digital-Wandlung auf eine geringere Auflösung gesetzt wird, nämlich von 16 Bit auf 12 Bit (siehe entsprechenden Eintrag in der Spalte U1). Diese Maßnahme zieht keine strukturelle Änderung in der Topologie des Simulationsnetzwerks 2 nach sich.
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Ein anderer Vorschlag für eine Umstrukturierung U2 besteht darin, dass der I/O-Netzwerkknoten 103 nicht über den Kommunikations-Netzwerkknoten R1 mit dem Rechen-Netzwerkknoten RK 2 verbunden wird, sondern vielmehr über eine umgelegte Datenverbindung DV6, die den I/O-Netzwerkknoten 103 mit dem Kommunikations-Netzwerkknoten R2 verbindet. Die dadurch auf der Datenverbindung DV3 entstehende zusätzliche Datenübertragungsrate führt zu keiner unzulässigen Auslastung der Datenverbindung DV3, die Grenzwerte G-KVDR für die entsprechenden Kommunikationsverbindungs-Datenraten werden dann bei Weitem noch nicht erreicht.
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In den 7 und 8 ist eine weitere, dritte Variante des computerimplementierten Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 gezeigt. Das in 7 dargestellte Simulationsnetzwerk 2 entspricht praktisch vollständig dem in 5 dargestellten Simulationsnetzwerk 2, einschließlich der auf den Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2 ausgeführten Simulationsapplikationen 5. Zusätzlich dargestellt ist hier jedoch ein Rechner 7, auf dem das Verfahren 1 programmiertechnisch umgesetzt ist. Der Rechner 7 ist mit dem Simulationsnetzwerk 2 über eine Datenverbindung DVR verbunden. Bei den in den 3 und 5 dargestellten Simulationsnetzwerken 2 könnte das Verfahren 1 auch auf einem wie in 7 dargestellten Rechner 7 ausgeführt werden. Der Rechner 7 ist in den anderen Figuren nicht dargestellt, um die Darstellungen nicht unnötig zu verkomplizieren.
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Die in den 7 und 8 behandelte Variante des Verfahrens 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und für die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO durch Messung im Simulationsnetzwerk 2 ermittelt werden. Die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen E-DVDR werden rechnerisch aus den zuvor genannten Erwartungswerten - wie schon zuvor erläutert - ermittelt, sie basieren daher aber auch auf den durchgeführten Messungen.
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Im vorliegenden Fall werden die Messungen im Betrieb des Simulationsnetzwerks 2 durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass auch Effekte wie Datenkollisionen auf den Datenverbindungen DV bzw. den Kommunikationsverbindungen KV berücksichtigt werden, die insgesamt zu einer Verzögerung der Datenübermittlung führen und auch zu einem erhöhten Datenaufkommen, da Datenpakete möglicherweise mehrfach verschickt werden müssen. Dadurch wird eine besonders realistische Einschätzung der Auslastung des Simulationsnetzwerks 2 gewonnen.
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Auch die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR und die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVL werden durch Messungen ermittelt, vorliegend durch eine Messung im Betrieb des Simulationsnetzwerks 2. Dass die Erwartungswerte auch für die Kommunikationsverbindungen gemessen werden, ist in der Tabelle in 8 dadurch ersichtlich, dass die Erwartungswerte bezüglich der Kommunikationsverbindung KV sich nicht immer summarisch aus den Erwartungswerten der beteiligten Knoten ergeben.
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Die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVL werden gemessen, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2 eingerichtet wird, indem jeder sendende Netzwerkknoten RK, R, IO das von ihm verschickte Datum bzw. Datenpaket mit einem Versand-Zeitstempel versieht und indem der letzte empfangende Netzwerkknoten RK, R aus der von ihm ermittelten Empfangszeit und durch Auswertung des Versand-Zeitstempels den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz E-KVL der entsprechenden Kommunikationsverbindung KV2 berechnet, vorliegend aus bereits genannten Gründen während des Betriebs des Simulationsnetzwerks 2, also bei Ausführung der Simulationsapplikationen auf den Rechen-Netzwerkknoten RK1, RK2. Im vorliegenden Fall sind die Abweichungen zwischen den ermittelten Erwartungswerten gemäß 5 und den gemessenen Erwartungswerten gemäß 7 verhältnismäßig gering, sodass dieselben kritischen Kommunikationsverbindungen KV ermittelt werden, die auch mit denselben Maßnahmen beseitigt werden können.
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Zur Messung der Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR werden die Kommunikations-Netzwerkknoten R1, R2 jeweils mit einer Beobachtungs-Anwendung ausgestattet, die den Datendurchsatz statistisch erfasst und entsprechende Informationen zur Auswertung dann an den Rechner 7 schickt, wo entsprechende Erwartungswerte durch Auswertung der Statistiken ermittelt werden können. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass keine zusätzliche Infrastruktur erforderlich ist, jedoch ist zu berücksichtigen, dass die Ausführungen der Beobachtungs-Anwendungen je nach Art der Realisierung einen - wenn auch geringen - Einfluss auf den Echtzeitdatentransfer haben kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verfahren
- 2
- Echtzeit-Simulationsnetzwerk
- 3
- HIL-Simulator
- 4
- Netzwerkknoten
- 5
- Simulationsapplikation
- 6
- Topologieinformationen
- 7
- Rechner
- 8
- Steuergeräte
- RK
- Rechen-Netzwerkknoten
- R
- Kommunikations-Netzwerkknoten, Router
- IO
- I/O-Netzwerkknoten
- DV
- Datenverbindung zwischen Netzwerkknoten
- DVR
- Datenverbindung zwischen Rechner und Simulationsnetzwerk
- KV
- Kommunikationsverbindung
- E-KDR
- Erwartungswert Knotendatenrate
- E-KL
- Erwartungswert Knotenlatenz
- E-DVDR
- Erwartungswert Datenverbindung Datenübertragungsrate
- G-DVDR
- Grenzwert Datenverbindung Datenübertragungsrate
- E-KVDR
- Erwartungswert Kommunikationsverb. Datenübertragungsrate
- G-KVDR
- Grenzwert Kommunikationsverbindung Datenübertragungsrate
- E-KVL
- Erwartungswert Kommunikationsverbindung Latenz
- G-KVL
- Grenzwert Kommunikationsverbindung Latenz
- TS
- Rechenschrittweite periodischer Tasks
