DE102019203001A1

DE102019203001A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems

Info

Publication number: DE102019203001A1
Application number: DE102019203001.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Von Hoyningen-Huene; Mohamed Abdel Metaal; Ludwig Arnold Leurs; Rene GUILLAUME
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-09-10
Also published as: CN113475041B; CN113475041A; WO2020178057A1; US11916737B2; US20220094599A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln von Betriebsparametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung.

Description

Stand der Technik
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems.
Die Offenbarung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems.
In der industriellen Fertigung werden Daten z.B. zwischen industriellen Steuerungen und diversen Sensoren und Aktuatoren ausgetauscht. Dabei sind Zykluszeiten von unter 1 Millisekunde (ms) möglich. Heutzutage werden dazu spezialisierte Industrial Ethernet Protokolle, wie Sercos III, EtherCAT und Profinet IRT eingesetzt. Diese erlauben sehr kurze Latenzen und Zykluszeiten, sind aber inkompatibel mit Standard Ethernet.
Offenbarung der Erfindung
Aktuell sind jedoch unter dem Begriff „Time Sensitive Networking“ (TSN) Erweiterungen des Ethernet Standards in Arbeit, die ebenfalls zu latenzarmen und zuverlässigen Datenströmen führen. Ein wichtiger Mechanismus bei TSN ist der „Time-aware Shaper“ (IEEE 802.1Qbv), mit dem in den Ethernet-Geräten, wie Endgeräte und Switche, zyklische Zeitschlitze reserviert werden können. In diesen Zeitschlitzen können anschließend zeitkritische Daten durch das Netzwerk übertragen werden, die während dieser Zeitschlitze nicht durch weitere Datenströme beeinträchtigt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Time Sensitive Networking (TSN)-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist.
Ein Time Sensitive Networking, TSN, -Kommunikationssystem ist gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ein Kommunikationssystem, das auf dem Ethernet-Standard IEEE-802.1Q-2018 (und/oder auf IEEE 802.1AS bzw. IEEE 1588) basiert und wenigstens eine Komponente, insbesondere einen Switch („TSN-Switch“), aufweist, die dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten.
Eine Time Sensitive Networking, TSN, -Kommunikationseinrichtung ist gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine Kommunikationseinrichtung, die auf dem Ethernet-Standard basiert und dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten. Ein Beispiel für eine TSN-Kommunikationseinrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist ein TSN-Switch, der dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten, insbesondere Übertragungsressourcen wie z.B. zyklische Zeitschlitze zu reservieren.
Das Verfahren gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln von Betriebsparametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung. Dadurch ist eine effiziente Konfiguration der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung bzw. des gesamten TSN-Kommunikationssystems ermöglicht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Betriebsparameter wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung mehrere unterschiedliche Betriebsphasen aufweist, wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebsparameter zugeordnet sind, wobei insbesondere die unterschiedlichen Betriebsphasen z.B. wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Zeitplan zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung und/oder des TSN-Kommunikationssystems zur Übertragung der ersten Daten, und/oder b) eine priorisierte (jedoch nicht exklusive, z.B. konkurrierende) Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung und/oder des TSN-Kommunikationssystems zur Übertragung der ersten Daten festlegt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verfahren weiter aufweist: Übertragen der ersten Daten von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung über das TSN-Kommunikationssystem. Auf diese Weise können die ersten Daten effizient über das TSN-Kommunikationssystem übertragen, insbesondere „getunnelt“ werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die ersten Daten wenigstens ein Datenpaket aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung das wenigstens eine Datenpaket so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan aufweist. Dadurch können die mittels des Zeitplans für das betreffende Datenpaket vorab reservierten Übertragungsressourcen effizient für die Übertragung dieses Datenpakets genutzt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wobei die Vorrichtung zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet ist: Ermitteln von Betriebsparametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen bzw. die Funktionalität der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen in eine Steuerungseinrichtung integriert ist, z.B. in eine Steuerung für Industrial Ethernet Anwendungen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein TSN-Kommunikationssystem, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, und eine Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen zur Konfiguration eines bzw. des TSN-Kommunikationssystems.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen Fertigungseinrichtung.
Das Verfahren gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft, Datenstrukturen, insbesondere Industrial Ethernet Datenstrukturen von verschiedenen, insbesondere allen, Konfigurationsphasen, bei der Erstellung des TSN-Zeitplans zu berücksichtigen. Ferner ist vorteilhaft keine weitere Umkonfiguration der TSN-Geräte zwischen jedem Wechsel von Betriebsphasen bzw. Konfigurationsphasen erforderlich, und in einem Echtzeitbetrieb müssen keine Übertragungsressourcen unnötig exklusiv reserviert werden, die z.B. nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme benötigt worden sind.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann in allen Bereichen genutzt werden, in denen z.B. deterministische, zeitgetriggerte Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, die zum einen im Betrieb unterschiedliche Zykluszeiten und/oder Datenstrukturen aufweisen können, und die auf der anderen Seite z.B. zu einem Betrieb mittels TSN-Kommunikationssystemen migriert werden sollen. Solche Bereiche sind unter anderem die industrielle Fertigung, aber auch Netzwerke innerhalb von Fahrzeugen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems gemäß bevorzugten Ausführungsformen,
2A, 2B, 2C jeweils schematisch eine Zyklusstruktur einer Kommunikation gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
3 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
4 schematisch einen Zeitplan gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen, und
5 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen.

1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems 200 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Das Kommunikationssystem 200 ist ein Time Sensitive Networking (TSN)-Kommunikationssystem 200, also ein Kommunikationssystem, das auf dem Ethernet-Standard basiert und wenigstens eine Komponente, insbesondere einen Switch („TSN-Switch“), aufweist, die dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten.
Vorliegend weist das TSN-Kommunikationssystem 200 zwei TSN-Kommunikationseinrichtungen 210a, 210b auf, bei denen es sich z.B. jeweils einen TSN-Switch handelt, also um ein TSN-fähiges Netzwerkkopplungselement, das mehrere Netzwerksegmente und/oder Endgeräte oder dergleichen miteinander verbinden kann.
Wie aus 1 ersichtlich ist vorliegend beispielhaft eine weitere Kommunikationseinrichtung 100 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine industrielle Steuereinrichtung (z.B. vom Industrial Ethernet Typ) handeln kann, wie sie z.B. in industriellen Fertigungseinrichtungen einsetzbar sind. Die weitere Kommunikationseinrichtung 100 sendet erste Daten D1, insbesondere in Form entsprechender Datenpakete dp1, an den ersten TSN-Switch 210a. Weiter aus 1 ersichtlich sind noch weitere Kommunikationseinrichtungen 20, bei denen es sich z.B. um Endgeräte wie z.B. Aktoren und/oder Sensoren oder dergleichen (z.B. Industrial Ethernet Endgeräte) handelt. Der zweite TSN-Switch 210b sendet vorliegend Datenpakete dp2 an diese Endgeräte 20. Analog hierzu kann der erste TSN-Switch 210a auch von weiteren (nicht abgebildeten) Komponenten weitere Datenpakete dp3 empfangen und/oder der zweite TSN-Switch 210b weitere Datenpakete dp4 an weitere (ebenfalls nicht abgebildete) Komponenten senden. Zwischen den TSN-Switches 210a, 210b können ebenfalls Datenpakete dp5 ausgetauscht werden, die bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. zumindest teilweise die anderen genannten Datenpakete dp1, dp2, dp3, dp4 enthalten bzw. diesen entsprechen bzw. daraus abgeleitet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können wenigstens manche der Datenpakete eine Priorität aufweisen, die eine Verarbeitung, insbesondere Weiterleitung, der Datenpakete, z.B. durch die TSN-Switches 210a, 210b, steuern kann, wobei z.B. Datenpakete mit höherer Priorität bevorzugt verarbeitet (insbesondere gesendet und/oder vermittelt usw.) werden als Datenpakete mit niedrigerer Priorität. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Priorität gemäß dem Standard IEEE 802.1Q verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm gemäß 3 beschriebene Verfahren für den Betrieb, insbesondere für eine Konfiguration, des TSN-Kommunikationssystem 200 vorgesehen. Das Verfahren gemäß 3 kann beispielsweise durch die optionale Vorrichtung 400 aus 1 ausgeführt werden, die bzw. deren Funktionalität bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. auch in die weitere Kommunikationseinrichtung 100 integriert sein kann. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln 300 (3) von Betriebsparametern BP für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung 20, 100 (1), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem 200 erste Daten D1 zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen 20, 100, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem 200 Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter BP mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 assoziiert sind, Ermitteln 310 (3) eines Zeitplans („TSN-Zeitplan“) ZP für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, Übermitteln 320 des Zeitplans ZP an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b. Dadurch ist eine effiziente Konfiguration der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b bzw. des gesamten TSN-Kommunikationssystems 200 ermöglicht, wodurch insbesondere den unterschiedlichen Anforderungen der Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 bezüglich einer Datenübertragung über die Komponenten 200, 210a, 210b in den ggf. unterschiedlichen Betriebsphasen der jeweiligen Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 Rechnung getragen werden kann. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann optional in dem Schritt 320a ein Aktivieren des TSN-Zeitplans ZP in einer oder mehreren der genannten Komponenten 200, 210a, 210b erfolgen. Das Aktivieren 320a kann zur Folge haben, dass die betreffenden Komponenten fortan nach dem Zeitplan ZP arbeiten, mithin Übertragungsressourcen gemäß dem Zeitplan ZP für zukünftig zu verarbeitende Daten, insbesondere Datenpakete bzw. Datenströme, reservieren.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Betriebsparameter BP (3) wenigstens einen Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit aufweisen. Dadurch können die wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit vorteilhaft bei der Bildung des Zeitplans ZP berücksichtigt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung 20, 100 mehrere unterschiedliche Betriebsphasen aufweist, wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebsparameter BP zugeordnet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die unterschiedlichen Betriebsphasen wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, bei der Ermittlung des TSN-Zeitplans ZP diese unterschiedlichen Betriebsphasen der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 und damit mit den unterschiedlichen Betriebsphasen ggf. einhergehende unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Datenübertragung über das TSN-Kommunikationssystem 200 (z.B. Größe von Datenpaketen, Zykluszeit, Echtzeiteigenschaften bzw. eine entsprechende Reservierung von Übertragungsressourcen) zu berücksichtigen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Zeitplan ZP zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b und/oder des TSN-Kommunikationssystems 200 zur Übertragung der ersten Daten D1, und/oder b) eine priorisierte (jedoch nicht exklusive, z.B. konkurrierende) Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b und/oder des TSN-Kommunikationssystems 200 zur Übertragung der ersten Daten D1 festlegt. Dadurch können die jeweilig benötigten Übertragungsressourcen der beteiligten Komponenten 200, 210a, 210b effizient definiert und verteilt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Verfahren weiter aufweist, vgl. 3: Übertragen 330 der ersten Daten D1 von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung 100 über das TSN-Kommunikationssystem 200, z.B. an das bzw. die Endgeräte 20. Auf diese Weise können die ersten Daten D1 effizient über das TSN-Kommunikationssystem 200 übertragen, insbesondere getunnelt, werden. Beispielsweise können die ersten Daten D1 einem Industrial Ethernet Datenstrom entsprechen, der von der Kommunikationseinrichtung 100 erzeugt wird und an das bzw. die z.B. als Industrial Ethernet Endgeräte ausgebildeten Endgeräte 20 über das TSN-Kommunikationssystem 200 übertragen wird. Die Vorsehung des TSN-Zeitplans ZP gemäß den Ausführungsformen ermöglicht ein besonders effizientes Tunneln solcher (Industrial Ethernet) Datenströme D1 durch das TSN-Kommunikationssystem 200.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die ersten Daten D1 wenigstens ein Datenpaket dp1 (1) aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung 100 (bzw. die Vorrichtung 400) das wenigstens eine Datenpaket dp1 so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan ZP aufweist. Dadurch können die mittels des Zeitplans ZP für das betreffende Datenpaket dp1 vorab reservierten Übertragungsressourcen effizient für die Übertragung dieses Datenpakets genutzt werden.
2A zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit ZZ von 1 ms und Übertragungszeitdauern ZD von jeweils 90 Mikrosekunden (µs), wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer ersten Konfigurationsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind. Die Zykluszeit ZZ und die Übertragungszeitdauern ZD bilden dabei Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese Betriebsparameter mit der ersten Konfigurationsphase assoziiert sind und ggf. in die Ermittlung des Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
2B zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit ZZ' von 1 ms und Übertragungszeitdauern ZD' von jeweils 423 µs, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer zweiten Konfigurationsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind, wobei die zweite Konfigurationsphase beispielsweise auf die erste Konfigurationsphase gemäß 2A folgt. Auch die Zykluszeit ZZ' und die Übertragungszeitdauern ZD' gemäß 2B bilden Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese Betriebsparameter vorliegend mit der zweiten Konfigurationsphase assoziiert sind und ggf. in die Ermittlung des Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
2C zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit von 250µs und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht individuell bezeichnete Übertragungszeitdauern von z.B. 80 µs, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer Echtzeit-Betriebsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind.
4 zeigt schematisch beispielhaft für eine erste Prioritätsstufe PS1 (beispielsweise entsprechend einer TSN-Priorität des Werts „7“ gemäß IEEE 802.1Qbv) eine Zykluszeit ZZ" von 1 ms und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht individuell bezeichnete Übertragungszeitdauern ZD" der ersten Prioritätsstufe PS1, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer Echtzeit-Betriebsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind, wobei die Echtzeit-Betriebsphase beispielsweise auf die zweite Konfigurationsphase gemäß 2B folgt. 4 zeigt zusätzlich schematisch beispielhaft für eine zweite Prioritätsstufe PS2 (beispielsweise entsprechend einer TSN-Priorität der Werte von „0“ bis „6“ gemäß IEEE 802.1Q) aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht individuell bezeichnete Übertragungszeitdauern ZD"' der zweiten Prioritätsstufe PS2, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise ebenfalls während der Echtzeit-Betriebsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind. Auch die Zykluszeit ZZ" und die Übertragungszeitdauern ZD", ZD"' gemäß 4 bilden Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese Betriebsparameter vorliegend mit der Echtzeit-Betriebsphase assoziiert sind und ggf. in die Ermittlung des Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung 400 (1) zum Betreiben eines bzw. des TSN-Kommunikationssystems 200, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist. Die Vorrichtung 400 ist vorteilhaft zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen (vgl. z.B. 3) und/oder wenigstens einzelner Schritte hiervon ausgebildet. Wie vorstehend bereits erwähnt kann die Funktionalität der Vorrichtung 400 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. auch in die weitere Kommunikationseinrichtung 100 (und/oder wenigstens eines der Endgeräte 20) integriert sein.
5 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 400' gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 400 aus 1 die Konfiguration 400' gemäß 5 aufweisen. Die Vorrichtung 400' weist wenigstens eine Recheneinrichtung 402 auf, wenigstens eine der Recheneinrichtung 402 zugeordnete Speichereinrichtung 404 zur zumindest zeitweisen Speicherung eines Computerprogramms PRG, wobei das Computerprogramm PRG insbesondere zur Steuerung eines Betriebs der Vorrichtung 400' und/oder Ausführung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Recheneinrichtung 402 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor (DSP), einen programmierbaren Logikbaustein (z.B. FPGA, field programmable gate array), einen ASIC (anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis), eine Hardwareschaltung.
Kombinationen hieraus sind bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen auch denkbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Speichereinrichtung 404 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen flüchtigen Speicher 404a, insbesondere Arbeitsspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen Speicher 404b, insbesondere Flash-EEPROM. Bevorzugt ist das Computerprogramm PRG in dem nichtflüchtigen Speicher 404b abgelegt. Optional weist die Vorrichtung 400' eine Datenschnittstelle 406 zur Übertragung von Daten, insbesondere Datenpaketen dp1, über das TSN-Kommunikationssystem 200 auf. Über diese Datenschnittstelle 406 können bei weiteren Ausführungsformen beispielsweise die TSN-Zeitpläne ZP an weitere Kommunikationseinrichtungen 210a, 210b übertragen werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein TSN-Kommunikationssystem 200 (1), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung 100, z.B. eine (Industrial Ethernet) Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem 200 erste Daten D1 zu übertragen, und eine Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen zur Konfiguration eines bzw. des TSN-Kommunikationssystems 200.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen Fertigungseinrichtung.
Durch eine Übertragung, insbesondere Tunnelung, der Datenpakte dp1, insbesondere der (Industrial) Ethernet Pakete, durch das TSN-Netz 200 gemäß den Ausführungsformen ist vorteilhaft eine Koexistenz von (Industrial) Ethernet Geräten 100, 20 mit TSN-Kommunikationssystemen 200 effizient zu realisieren.
Das Verfahren gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft, Datenstrukturen, insbesondere Industrial Ethernet Datenstrukturen, von verschiedenen, insbesondere allen, Konfigurationsphasen, bei der Erstellung des TSN-Zeitplans ZP zu berücksichtigen. Ferner ist vorteilhaft keine weitere Umkonfiguration der TSN-Geräte 210a, 210b zwischen jedem Wechsel von Betriebsphasen bzw. Konfigurationsphasen der Komponenten 20, 100 erforderlich, und in einem Echtzeitbetrieb müssen bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen keine Übertragungsressourcen unnötig exklusiv reserviert werden, die z.B. nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Komponenten 20, 100 benötigt worden sind.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann in allen Bereichen genutzt werden, in denen z.B. deterministische, zeitgetriggerte Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, die zum einen im Betrieb unterschiedliche Zykluszeiten und/oder Datenstrukturen aufweisen können, und die auf der anderen Seite zu einem Betrieb mittels TSN-Kommunikationssystemen 200 migriert werden sollen. Solche Bereiche sind unter anderem die industrielle Fertigung, aber auch Netzwerke innerhalb von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen ermöglicht eine effiziente Tunnelung von (Industrial) Ethernet-Datenpaketen dp1 durch ein TSN-Netz, wobei vorteilhaft die jeweiligen Anforderungen der Industrial Ethernet Standards (z.B. Sercos III, EtherCAT, Profinet IRT) erfüllt werden können. Insbesondere können durch das Verfahren gemäß den Ausführungsformen die in der Regel hohen (Latenz-) Anforderungen von Industrial Ethernet Protokollen erfüllt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann z.B. in den TSN-Switches 210a, 210b statt einem „Store-and-Forward“-Verfahren ein „Cut-through-“ Verfahren verwendet werden, bei dem ein Ethernet-Paket bereits dann über einen anderen Port des Switches weitergeleitet wird, bevor es noch vollständig auf einem Empfangsport desselben Switches empfangen worden ist. Die Verzögerung der Paketweiterleitung ist hier sehr kurz und im Gegensatz zu Store-and-Forward unabhängig von der Paketgröße. Diese schnelle Weiterleitung, erfordert natürlich, dass der ausgehende Port frei ist und nicht gleichzeitig andere Pakete mit niedriger Priorität gesendet werden, was vorteilhaft unter Verwendung des erfindungsgemäßen Zeitplans ZP sichergestellt werden kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die weitere Kommunikationseinrichtung 100, bei der es sich z.B. um eine industrielle Steuerung 100 bzw. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs handelt, bereits vorab („offline“) programmiert. D.h., es ist vorab bekannt

a. mit welchen weiteren Geräten 20 (Sensoren, Aktuatoren, Antriebe, etc.) über das TSN-System 200 Daten ausgetauscht werden sollen (welche weitere Geräte 20 also z.B. Teil einer verteilten Anwendung sein sollen), und/oder
b. welche Zykluszeit für die jeweiligen Datenübertragungen vorgesehen sind, und/oder
c. wie viele Daten ausgetauscht werden sollen (Datenmenge), und/oder
d. welche Einstellungen an die Geräte 20 übermittelt werden sollen.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuerung 100 insbesondere unter Nutzung des vorstehend genannten a-priori Wissens die notwendigen Datenstrukturen des (Industrial) Ethernets, insbesondere in allen notwendigen Konfigurationsschritten, z.B. von einer Identifizierung (vgl. z.B. 2A) der Geräte 20 über deren Konfiguration (vgl. z.B. 2B) und den Echtzeitbetrieb (vgl. z.B. 2C, 4), ermitteln, und/oder die jeweiligen Zykluszeiten. Diese bilden, insbesondere zusammen, die beschriebenen Betriebsparameter BP (3). Dabei kann bei weiteren Ausführungsformen die jeweilige Datenstruktur im Echtzeitbetrieb meist für jede Anwendung sehr individuell und hochoptimiert sein, während die Datenstrukturen in den vorangehenden Konfigurationsphasen meist durch ein Protokoll vorgegeben sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuerung 100, insbesondere auch während einer Kommunikation mit den (Industrial Ethernet) Geräten 20 über das TSN-Netz 200, die Zykluszeit und/oder die Datenstruktur ändern, ohne dies den TSN-Geräten 210a, 210b explizit mitteilen zu müssen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es während einer Konfigurationsphase z.B. eines Industrial Ethernet Protokolls zu einer möglichen Überlappung mit weiterem Netzwerkverkehr kommen. Die höhere Priorität der Industrial Ethernet Pakete dp1 kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen dabei bevorzugt berücksichtigt werden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist ein Zeitplan ZP des TSN-Switches 210a, 210b dabei so gewählt, dass jeweils vor Beginn eines Industrial Ethernet Zyklus, die Ports (Anschlüsse) des Switches 210a, 210b für Ethernet-Pakete mit anderen Prioritäten gesperrt werden. Damit ist gewährleistet, dass die ersten Ethernetpakete eines jeden Industrial Ethernet Zyklus unverzögert durchgeleitet werden. Dies kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen besonders bei dem Protokoll „Sercos III“ von Bedeutung sein, da sich die Endgeräte 20, 100 mit diesem ersten Paket eines Zyklus auf die Zeit des Masters synchronisieren.
Danach, in einem Zeitabschnitt, in dem Pakete von mehreren Prioritäten gesendeten werden können, kann es bei weiteren Ausführungsformen theoretisch und sehr selten vorkommen, dass sich ein kurzes Paket einer anderen Priorität zwischen zwei getunnelte Industrial Ethernet Pakete schiebt und dadurch die nachfolgenden Industrial-Ethernet Pakete somit verzögern kann. Dies ist jedoch bei kleinen Verzögerungen und zumindest in der Konfigurationsphase meist tolerierbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der TSN-Zeitplan ZP für eine Echtzeit-Betriebsphase bevorzugt derart gewählt, dass Kollisionen mit weiteren, insbesondere nicht-zeitkritischen, Datenpaketen ausgeschlossen sind. Latenz und Jitter bei der Tunnelung der Datenpakete dp1 durch das TSN-Netz 200 sind hier minimal. Alle Kommunikationsressourcen, die nicht exklusiv für diese Industrial Ethernet Daten reserviert sind, z.B. in Abhängigkeit des TSN-Zeitplans ZP, stehen komplett für andere Dienste (und/oder Geräte) zur Verfügung, da sie vom Industrial Ethernet System im Echtzeitbetrieb nicht benötigt werden.
Das Industrial Ethernet System (z.B. umfassend die Geräte 20, 100) kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beliebig neugestartet werden, ohne die TSN-Geräte 210a, 210b zu benachrichtigen, solange für das Industrial Ethernet System notwendigen Datenstrukturen die gleichen sind wie vor der Festlegung des TSN-Zeitplans ZP.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann dann, wenn absehbar ist, dass für einen längeren Zeitraum keine Industrial Ethernet Daten (bzw. Datenpakete dp1 zwischen den Komponenten 100, 20) ausgetauscht werden müssen, weil z.B. die entsprechenden Komponenten 100, 20 abgeschaltet werden, dies den TSN-Geräten 210a, 210b mitgeteilt werden, z.B. durch die Vorrichtung 400, 400', damit die die TSN-Geräte 210a, 210b, ggf. unter Modifikation des TSN-Zeitplans ZP, die reservierten Zeitfenster freigeben können. Ein erneuter Start der Komponenten 20, 100 kann z.B. unter erneuter Ausführung des Ablaufs 300, 310, 320 nach 3 erfolgen.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft eine effiziente Tunnelung insbesondere von zeitkritischen Daten D1 durch TSN-Netze 200. Dadurch können Ethernet-fähige Geräte wie z.B. Industrial Ethernet Geräte 20, 100 auch in einer TSN-Umgebung (weiter)verwendet werden.
Zudem kann die Berechnung eines TSN-Zeitplans bei konventionellen Ansätzen sehr komplex ausfallen, sodass die Berechnung mehrerer solcher Zeitpläne zu hoher Auslastung der verfügbaren Ressourcen, einem hohen Energieverbrauch und einer langen Berechnungsdauer führen kann. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen reduziert vorteilhaft die Anzahl der zu berechnenden Zeitpläne. Insbesondere kann das Prinzip gemäß den Ausführungsformen dafür sorgen, dass die Anforderungen von Industrial Ethernet-Systemen in allen Phasen erfüllt werden und gleichzeitig koexistierende Dienste die übrige Bandbreite des TSN-Netzes 200 nutzen können. Auch wenn vorstehend die Reservierung der Ressourcen im Rahmen von IEEE 802.1Qbv beispielhaft auf die Zeitdomäne bezogen wird, ist das Prinzip gemäß den Ausführungsformen in vergleichbarer Weise auch auf andere Formen der Reservierung von Ressourcen anwendbar (z.B. in der Frequenzdomäne).

Claims

Verfahren zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems (200), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln (300) von Betriebsparametern (BP) für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen (20, 100), die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem (200) Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter (BP) mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung (20, 100) bzw. Kommunikationseinrichtungen (20, 100) assoziiert sind, Ermitteln (310) eines Zeitplans (ZP) für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), Übermitteln (320) des Zeitplans (ZP) an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Betriebsparameter (BP) wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit (ZZ, ZZ', ZZ") aufweisen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung (100) mehrere unterschiedliche Betriebsphasen aufweist, und wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedliche Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebsparameter zugeordnet sind, wobei insbesondere die unterschiedlichen Betriebsphasen wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zeitplan (ZP) zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) und/oder des TSN-Kommunikationssystems (200) zur Übertragung der ersten Daten (D1), und/oder b) eine priorisierte Verwendung von Übetragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) und/oder des TSN-Kommunikationssystems (200) zur Übertragung der ersten Daten (D1) festlegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend: Übertragen (330) der ersten Daten (D1) von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung (100) über das TSN-Kommunikationssystem (200).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die ersten Daten (D1) wenigstens ein Datenpaket (dp1) aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (100) das wenigstens eine Datenpaket (dp1) so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan (ZP) aufweist.
Vorrichtung (400; 400') zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems (200), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wobei die Vorrichtung (400; 400') zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet ist: Ermitteln (300) von Betriebsparametern (BP) für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen (20, 100), die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem (200) Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter (BP) mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung (20, 100) bzw. Kommunikationseinrichtungen (20, 100) assoziiert sind, Ermitteln (310) eines Zeitplans (ZP) für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), Übermitteln (320) des Zeitplans (ZP) an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b).
Vorrichtung (400; 400') nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (400; 400') zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
TSN-Kommunikationssystem (200), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (20, 100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, und eine Vorrichtung (400; 400') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8.
Verwendung des Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder der Vorrichtung (400; 400') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8 zur Konfiguration eines bzw. des TSN-Kommunikationssystems (200).
Verwendung des Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder der Vorrichtung (400) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8 in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen Fertigungseinrichtung.