DE102020200581A1

DE102020200581A1 - Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk

Info

Publication number: DE102020200581A1
Application number: DE102020200581.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Von Hoyningen-Huene; Andreas Eckhardt; Frederick Prinz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk (100), wobei ein Datenpaket (200) mit zeitkritischen Daten versandt wird, indem das zu übertragende Datenpaket (200) in wenigstens zwei Teildatenpakete (300) unterteilt wird und die wenigstens zwei Teildatenpakete (300) zeitlich versetzt versandt werden, und wobei ein Datenpaket mit nicht-zeitkritischen Daten unfragmentiert versandt wird. Beispielsweise wird das Datenpaket mit zeitkritischen Daten von einem ersten Netzwerkteilnehmer (110) über wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit (131, 132, 133, 134) an einem zweiten Netzwerkteilnehmer (120) übertragen, so dass eine gesamte Latenzzeit für die Übertragung der wenigstens zwei Teildatenpakete geringer ist, als es eine Latenzzeit für die Übertragung des unfragmentierten Datenpakets wäre.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Das sog. „Time Sensitive Networking“ (TSN) stellt eine Reihe von Standards bzw. Normen dar, welche sich unter anderem mit der Synchronisation von Netzwerkteilnehmern in einem Netzwerk befassen, insbesondere um Echtzeitanforderungen bei Datenübertragung über Ethernet zu erfüllen. TSN stellt eine Erweiterung des Ethernet-Standards dar und hat das Ziel, auf der einen Seite zeitkritische Datenströme mit erhöhter Priorität durch ein Netzwerk leiten zu können und auf der anderen Seite die Ethernet-Infrastruktur auch für weniger kritische Kommunikation zu ermöglichen. Somit kann ein Verkabelungsaufwand im Vergleich zu parallelen Netzen verringert werden. Die erhöhten Anforderungen von kritischen TSN-Datenströmen können dadurch erfüllt werden, dass Netzwerkkomponenten, z.B. Switche, Datenpakete dieser kritischen TSN-Datenströme von unkritischen Datenpaketen unterscheiden können und diese bei der Weiterleitung vorrangig behandeln.
Mechanismen zu einer derartigen vorrangigen Weiterleitung sind im Wesentlichen in der Norm IEEE802.1Q-2018 beschrieben. Kurze Latenzzeiten lassen sich beispielsweise mit dem Verfahren „scheduled traffic“ erreichen, welches in IEEE802.1Qbv beschrieben ist. Ein „Scheduler“ bzw. ein Zeitplaner ermöglicht es dabei, die Kommunikation auf dem Netzwerk in feste, sich wiederholende Zyklen einzuteilen. Je nach Ausprägung können dabei zyklische Zeitfenster explizit für die Übertragung von Paketen bestimmter TSN-Datenströme reserviert werden.
Mit TSN-Mechanismen kann es also ermöglicht werden, zeitkritische Datenströme zusammen mit nicht zeitkritischen Datenströmen in einer gemeinsamen Ethernet-Infrastruktur zu übertragen. Üblicherweise wenden gängige TSN-Switche bzw. Verteiler dabei das sog. „Store-and-Forward“ Verfahren bzw. Teilstreckenverfahren bei der Weiterleitung von Daten- bzw. Ethernet-Paketen an. Das bedeutet, dass hier zunächst ein gesamtes Datenpaket empfangen wird, bevor es auf einem anderen Port wieder ausgesendet werden kann. Eine Übertragungslatenz bei jeder Weiterleitung über einen derartigen Switch beträgt somit mindestens die Paketdauer. Zumeist kommt dabei noch eine paketlängenunabhängige Latenzzeit dazu. Insbesondere bei längeren Datenpaketen kann es somit bei Übertragungen über mehrere Switche zu signifikanten Latenzzeiten kommen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Möglichkeit, zeitkritische Datenpakete in kürzere Fragmente bzw. Teildatenpakete aufzuteilen, um in Netzwerken, besonders zweckmäßig in Ethernet-Systemen, in welchen insbesondere ein „Store-and-Forward“ Verfahren angewendet wird, eine geringe Übertragungslatenz zu erreichen.
Das Netzwerk weist eine Vielzahl von Netzwerkteilnehmern auf, die über wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit (Switch) miteinander verbunden sind, und ermöglicht ferner eine echtzeitfähige Datenübertragung zwischen Netzwerkteilnehmern. Echtzeitfähig bedeutet dabei, dass zeitkritische Daten zu einem definierbaren Zeitpunkt bzw. innerhalb eines definierbaren Zeitraums garantiert den erwünschten Netzwerkteilnehmer erreichen oder erreicht haben. Zu diesem Zweck ist in dem Netzwerk insbesondere ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem eingerichtet, besonders zweckmäßig auf Ethernet basierend, z.B. TSN oder ein echtzeitfähiges Feldbussystem wie z.B. Sercos III, EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP usw.
Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens soll ein Datenpaket mit zeitkritischen Daten versandt werden. Zu diesem Zweck wird das zu übertragende Datenpaket in wenigstens zwei Teildatenpakete unterteilt und die wenigstens zwei Teildatenpakete werden zeitlich versetzt versandt. Somit wird das Datenpaket mit zeitkritischen Daten beispielsweise von einem ersten Netzwerkteilnehmer über wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit an einen zweiten Netzwerkteilnehmer in die wenigstens zwei Teildatenpakete unterteilt bzw. fragmentiert übertragen, so dass eine gesamte Latenzzeit bzw. eine gesamte Ende-zu-Ende Latenzzeit für die Übertragung der wenigstens zwei Teildatenpakete geringer ist, als es eine Latenzzeit bzw. eine Ende-zu-Ende Latenzzeit für die Übertragung des unfragmentierten Datenpakets wäre. Datenpakete mit nicht-zeitkritischen Daten hingegen werden nicht fragmentiert, sondern unfragmentiert übertragen.
Dem vorliegenden Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch Fragmentierung bzw. Unterteilung des zu übertragenden Datenpaktes in einzelne Teildatenpakete und durch separate Übertragung dieser einzelnen Teildatenpakete die zeitkritischen Daten mit einer geringeren Latenzzeit bzw. Ende-zu-Ende Latenzzeit übertragen werden können, als es mit einem einzelnen Datenpaket der Fall wäre.
Unter der (Ende-zu-Ende-) Latenzzeit für die Übertragung des Datenpakets sei in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verzögerungszeit bzw. eine Zeitspanne zu verstehen, welche für die vollständige Übertragung des Datenpakets über die entsprechenden Netzwerkverteilereinheiten benötigt wird, insbesondere von dem Zeitpunkt des Aussendens des Datenpakets zu der ersten der Netzwerkverteilereinheiten bis zu dem Zeitpunkt des Aussendens des Datenpakets von der letzten der Netzwerkverteilereinheiten.
Die (Ende-zu-Ende-) Latenzzeit für die Übertragung des wenigstens einen Teildatenpaktes sei insbesondere als Verzögerungszeit bzw. Zeitspanne zu verstehen, welche für die vollständige Übertragung aller Teildatenpakete über die entsprechenden Netzwerkverteilereinheiten benötigt wird, insbesondere von dem Zeitpunkt, zu welchem das erste der Teildatenpakte zu der ersten der Netzwerkverteilereinheiten ausgesendet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu welchem das letzte der Teildatenpakte von der letzten der Netzwerkverteilereinheiten ausgesendet wird.
Im Zuge der Datenübertragung wird ein jeweiliges Paket von jeder der beteiligten Netzwerkverteilereinheit jeweils zu einer nächsten Netzwerkverteilereinheit weitergeleitet, bis das jeweilige Paket von einer letzten Netzwerkverteilereinheit insbesondere an den zweiten Netzwerkteilnehmer übertragen wird. Eine jede der Netzwerkverteilereinheiten besitzt insbesondere eine längen- bzw. größenabhängige Latenz, welche von der Größe des weiterzuleitenden Pakets abhängt, sowie ferner zumeist eine zusätzliche konstante Latenz, welche unabhängig von dem weiterzuleitenden Paket ist. Mit zunehmender Anzahl an Netzwerkverteilereinheiten, über welche das Paket zu übertragen ist, sowie ferner mit zunehmender Größe des Pakets nimmt somit auch die Latenzzeit für die Übertragung des Datenpakets stetig zu.
Durch die Unterteilung des zu übertragenden Datenpaktes in kleinere Teildatenpakete geringerer Größe können die sich durch die Weiterleitung über die einzelnen Netzwerkverteilereinheiten ergebende Latenzzeiten gering gehalten werden. Die längen- bzw. größenabhängige Latenz für die Übertragung der Teildatenpakete ist somit geringer als für das gesamte Datenpaket. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, dass eine Netzwerkverteilereinheit ein bereits empfangenes Teildatenpaket weiterleiten kann, bevor das nächste Teildatenpaket vollständig empfangen wurde. Dadurch kann die Latenzzeit weiter reduziert werden.
Das Datenpaket wird somit zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der gewünschten Latenzzeit in die Teildatenpakete unterteilt. Durch die Unterteilung kann die sich für die Übertragung ergebende Latenzzeit gezielt beeinflusst und gezielt reduziert werden. Durch derartige Fragmentierung von langen Datenpaketen lässt sich bei Übertragungspfaden mit mehreren Netzwerkverteilereinheiten die Übertragungslatenz signifikant reduzieren. Insbesondere können somit kürzere Zykluszeiten erreicht werden, welche zu einer performanteren Anwendung führen kann.
Zweckmäßigerweise können die zeitkritischen Daten in gleich große Anteile unterteilt und auf die Teildatenpakete verteilt werden. Die einzelnen Teildatenpakete besitzen in diesem Fall insbesondere jeweils dieselbe Größe. Einzelne Datenpakete umfassen zweckmäßigerweise nicht nur zu übertragende Daten, sondern ferner insbesondere Konfigurations- bzw. Verwaltungsinformationen, welche für die Datenübertragung in dem Netzwerk benötigt werden, z.B. Präambel, Header, Prüfsumme usw. Daher kann die Gesamtgröße der einzelnen Teildatenpakete, also die Summe der Größen aller Teildatenpakete, insbesondere größer sein als die Größe des zu übertragenden Datenpakets. Die gesamte Länge aller Zeitschlitze, welche für die Übertragung der Teildatenpakete benötigt wird, kann also größer sein als die Länge des einzelnen Zeitschlitzes, welcher für die Übertragung des gesamten Datenpaktes benötigt würde. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde jedoch erkannt, dass auch bei einer derartigen größeren Gesamtgröße der Teildatenpakete dennoch eine Unterteilung in Teildatenpakete vorteilhaft zur Latenzreduzierung ist. Insbesondere durch die geringere größenabhängige Latenz pro Netzwerkverteilereinheit und die Möglichkeit der zumindest teilweise gleichzeitigen Übertragung mehrerer Teildatenpakete kann dennoch für die Übertragung der Teildatenpakete eine insgesamt geringere Latenzzeit erreicht werden als bei der Übertragung des unfragmentierten Datenpakets. In besonders zweckmäßiger Weise eignet sich das Verfahren daher für Netzwerke, in welchen eine verfügbare Datenrate bzw. Datenübertragungsrate oder Bitrate nicht vollständig benötigt wird, jedoch die Latenzzeit für die Übertragung der jeweiligen zeitkritischen Daten von erhöhter Relevanz ist. Aufgrund der nicht vollständig ausgereizten Datenrate stehen in dem Netzwerk insbesondere ausreichend Reserven bezüglich der Länge der Zeitschlitze zur Verfügung. Durch einen erhöhten Bedarf an ohnehin ausreichend vorhandener Datenrate kann zweckmäßigerweise die Latenzzeit der Übertragung der zeitkritischen Daten reduziert werden.
Es versteht sich, dass das Netzwerk noch weitere Netzwerkteilnehmer umfassen kann. Ferner sei angemerkt, dass nicht sämtliche in dem Netzwerk vorgesehenen Netzwerkverteilereinheiten an der Datenübertragung von dem ersten zu dem zweiten Netzwerkteilnehmer beteiligt sein müssen. Insbesondere werden bestimmte Netzwerkverteilereinheiten für die Datenübertragung ausgewählt, um einen optimalen Übertragungsweg von dem ersten zu dem zweiten Netzwerkteilnehmer zu ermöglichen. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens wird die Unterteilung in die Teildatenpakete insbesondere in Abhängigkeit von den jeweiligen für den Übertragungsweg ausgewählten Netzwerkverteilereinheiten sowie ferner insbesondere in Abhängigkeit von dem Datenpaket selbst vorgenommen, um die Latenzzeit für die Übertragung gezielt reduzieren zu können.
Vorteilhafterweise werden die wenigstens zwei Teildatenpakete über die wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit jeweils gemäß einem Teilstreckenverfahren bzw. „Store-and-Forward“-Verfahren übertragen. Im Zuge eines derartigen Teilstreckenverfahrens wird ein jeweiliges Teildatenpaket von einer jeweiligen Netzwerkverteilereinheit zunächst komplett empfangen, bevor es von der jeweiligen Netzwerkverteilereinheit weiter gesendet wird, entweder an eine weitere Netzwerkverteilereinheit oder an den zweiten Netzwerkteilnehmer. Ferner wird das Teildatenpaket in der jeweiligen Netzwerkverteilereinheit nach dessen Empfang insbesondere zunächst einer Prüfung unterzogen und nur bei positiv durchgeführter Prüfung wird das Teildatenpaket weiter gesendet. Insbesondere kann durch das vorliegende Verfahren somit ein sog. „Cut-through“-Verfahren in einem Netzwerk mit „Store-and-Forward“-Verfahren zumindest teilweise emuliert werden. Bei derartigen „Cut-through“-Mechanismen kann die Weiterleitung eines Datenpakets schon begonnen werden, bevor das komplette Datenpaket empfangen wurde. Die Weiterleitungslatenz ist hierbei unabhängig von der Paketlänge. Herkömmlicherweise ist es jedoch zumeist sehr aufwendig, derartige „Cut-through“-Mechanismen in Netzwerke zu implementieren. Ähnlich zu dem „Cut-through“-Verfahren wird es durch das vorliegende Verfahren ermöglicht, dass in dem Netzwerk mit „Store-and-Forward“-Mechanismen Netzwerkverteilereinheiten bereits Teile der zeitkritischen Daten in Form der einzelnen Teildatenpakete weiterleiten können, bevor die gesamten zeitkritischen Daten, also alle Teildatenpakete, empfangen wurden. Im Gegensatz zu dem „Cut-through“-Verfahren lässt sich das vorliegende Verfahren insbesondere auf einfachere und aufwandsärmere Weise implementieren, insbesondere ohne spezielle und kostenintensive Verteiler bzw. Switche, welche „Cut-through“-Mechanismen beherrschen. Dass zeitkritische Daten dabei über Switche mit dem Standardverfahren „Store-and-Forward“ weitergeleitet werden, sorgt ferner insbesondere für geringe Hardwarekosten in der Infrastruktur.
Vorzugsweise wird eine Anzahl der Teildatenpakete, in welche das zu übertragende Datenpaket unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer Anzahl der Netzwerkverteilereinheiten bestimmt, also besonders zweckmäßig in Abhängigkeit von der Anzahl der Netzwerkverteilereinheiten, über welche die Teildatenpakte jeweils übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Anzahl der Teildatenpakete vorzugsweise in Abhängigkeit von Eigenschaften der wenigstens einen Netzwerkverteilereinheiten bestimmt, insbesondere von Weiterleitungseigenschaften. Wie obig erläutert weist jede Netzwerkverteilereinheit für die Weiterleitung von Datenpaketen insbesondere eine paketlängen- bzw. paketgrößenabhängige Latenz sowie ferner insbesondere eine konstante paketlängenunabhängige Latenz auf. Diese Latenzen können insbesondere als Eigenschaften bei der Unterteilung des Datenpaktes berücksichtigt werden. Je mehr Netzwerkverteilereinheiten also an der Datenübertragung beteiligt sind, umso größer würde die Latenzzeit der Übertragung des unfragmentierten Datenpakets werden. Durch die Unterteilung in die Teildatenpakete kann pro beteiligte Netzwerkverteilereinheit Latenzzeit insbesondere eingespart werden. Je größer die Anzahl an beteiligten Netzwerkverteilereinheiten und ferner je größer die Anzahl der Teildatenpakete, desto mehr Latenzzeit kann durch die Fragmentierung im Vergleich mit der Übertragung des unfragmentierten Datenpakets eingespart werden.
Bevorzugt wird die Anzahl der Teildatenpakete, in welche das zu übertragende Datenpaket unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer Größe der zeitkritischen Daten bestimmt. Durch die paketgrößenabhängige Latenz der Netzwerkverteilereinheiten würde mit zunehmender Größe des Datenpakets auch die Latenzzeit der Übertragung des unfragmentierten Datenpakets steigen. Abhängig von dieser Latenzzeit kann zweckmäßigerweise die Unterteilung vorgenommen werden, beispielsweise derart, dass die Latenzzeit auf einen vorgegebenen Wert reduziert werden kann.
Vorteilhafterweise wird die Anzahl der Teildatenpakete, in welche das zu übertragende Datenpaket unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Latenzzeit bestimmt. Bei dieser vorgegebenen Latenzzeit kann es sich beispielsweise um eine maximal zulässige Latenzzeit für die Übertagung der zeitkritischen Daten handeln. Je nach Größe des Datenpakets und der Anzahl der beteiligten Netzwerkverteilereinheiten kann die Anzahl der Teildatenpakete zweckmäßigerweise derart gewählt werden, dass die vorgegebene Latenzzeit erreicht werden kann.
Besonders vorteilhafterweise ist eine Größe des zu übertragendenden Datenpakets höchstens so groß wie eine maximal zulässige Größe für in dem Netzwerk übertragbare Datenpakete. Eine Fragmentierung des Datenpakets ist zur Übertragung daher technisch nicht nötig.
Vorteilhafterweise wird die Unterteilung des zu übertragenden Datenpakets in die wenigstens zwei Teildatenpakte von dem ersten Netzwerkteilnehmer durchgeführt oder von einer mit dem ersten Netzwerkteilnehmer verbundenen Gatewayeinheit oder von einer Netzwerkverteilereinheit. Insbesondere kann eine derartige Gatewayeinheit nahe dem ersten Netzwerkteilnehmer in dem Netzwerk vorgesehen sein, zweckmäßigerweise zwischen erstem Netzwerkteilnehmer und den Netzwerkverteilereinheiten. Entsprechend können die wenigstens zwei Teildatenpakte zweckmäßigerweise von dem zweiten Netzwerkteilnehmer wieder zusammengesetzt werden oder von einer mit dem zweiten Netzwerkteilnehmer verbundenen weiteren Gatewayeinheit oder von einer Netzwerkverteilereinheit. Auch diese zweite Gatewayeinheit kann zweckmäßigerweise nahe dem zweiten Netzwerkteilnehmer vorgesehen sein, insbesondere zwischen dem zweiten Netzwerkteilnehmer und den Netzwerkverteilereinheiten.
Vorzugsweise sind das zu übertragende Datenpaket und die wenigstens zwei Teildatenpakete jeweils Nachrichten gemäß der zweiten Schicht des OSI-Modells. Das OSl-Modell („Open Systems Interconnection“) ist ein Referenzmodell für Netzwerkprotokolle als Schichtenarchitektur, welches sieben Schichten („Layers“) mit spezifischen Aufgaben definiert. Die zweite Schicht (auch als OSI-Layer-2 oder L2 bezeichnet) ist dabei die sog. Sicherungsschicht („Data Link Layer“). Für sehr zeitkritische Kommunikation werden häufig Nachrichten nur auf dieser zweiten OSI-Schicht versendet. Das Ziel der Nachricht wird dabei insbesondere nur über eine MAC-Adresse in einem Ethernet-Frame adressiert und auf einen IP-Header kann verzichtet werden. Diese Art der Kommunikation ist zumeist nur für lokale Netze möglich, was aber für übliche Anwendungen von sehr zeitkritischer Kommunikation der Fall ist, z.B. im industriellen Bereich, in der Automatisierungstechnik sowie im Automobilbereich. Durch den Verzicht auf höhere Kommunikationsschichten wie IP und TCP ist zum einen zweckmäßigerweise der Overhead durch erforderliche Header geringer und zum anderen ist die Verarbeitung von reinen L2-Nachrichten einfacher und schneller als etwa bei TCP/IP- oder UDP/IP-Kommunikation. Insbesondere basieren z.B. Protokolle für sehr zeitkritische Anwendungen wie Sercos und EtherCAT auf reinen L2-Nachrichten. Für das Protokoll OPC-UA-PubSub gibt es ebenfalls die Option, die Kommunikation auf Layer 2 durchzuführen.
Bevorzugt basiert das Netzwerk auf Ethernet und/oder auf IEEE802-Standards und/oder auf TSN-Standards. Zweckmäßigerweise ist in dem Netzwerk ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem eingerichtet, insbesondere auf Ethernet basierend, z.B. ein echtzeitfähiger Feldbus, z.B. Sercos III, EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP usw. IEEE 802 beinhaltet eine Reihe von Normen bzw. Standards im Bereich lokaler, insbesondere kabelgebundener Netzwerke, insbesondere Ethernet-Netzwerke. „Time Sensitive Networking“ (TSN) stellt eine Reihe von Standards bzw. Normen dar, welche sich unter anderem mit der Synchronisation von Netzwerkteilnehmern in einem Netzwerk befassen, insbesondere um Echtzeitanforderungen zu erfüllen, insbesondere bei Datenübertragung über Ethernet. Mechanismen zu vorrangigen Weiterleitung von Datenpaketen sind insbesondere in der Norm IEEE802.1Q-2018 beschrieben. In der Norm IEEE802.1Qbv wird beschrieben, wie ein „Scheduler“ bzw. Zeitplaner gemäß sog. „scheduled traffic“ die Kommunikation auf dem Netzwerk in feste, sich wiederholende Zyklen einteilen kann, um kurze Latenzzeiten zu erreichen. Je nach Ausprägung können dabei zyklische Zeitfenster explizit für die Übertragung von Paketen bestimmter TSN-Datenströme reserviert werden.
In besonders vorteilhafter Weise ermöglicht es das vorliegende Verfahren, lange zeitkritische L2-Datenpakete in kürzere Fragmente aufzuteilen, um in Ethernet-Systemen mit „Store-and-Forward“-Verfahren eine geringere Übertragungslatenz zu erreichen. Durch die Fragmentierung von langen Ethernet-Paketen lässt sich bei Übertragungspfaden über mehrere „Store-and-Forward“-Switche die Übertragungslatenz signifikant reduzieren.
Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Verwendung in der Automatisierungstechnik bzw. der industriellen Steuerungstechnik, wobei Komponenten einer Maschine bzw. Anlage, insbesondere Steuereinheiten und Feldgeräte, wie z.B. elektrische Steuerungen, Antriebsregler, E/A-Geräte usw., miteinander als Komponenten in einem Netzwerk verbunden sind. Damit beispielsweise Bewegungen unterschiedlicher Aggregate der Maschine synchron und aufeinander abgestimmt ablaufen können, ist es von Bedeutung, dass eine Datenübertragung zwischen den einzelnen miteinander vernetzten Maschinenkomponenten in Echtzeit stattfinden kann.
Ferner eignet sich das Verfahren in besonders vorteilhafte Weise zur Anwendung im (Kraft-) Fahrzeugbereich, insbesondere für Fahrzeugnetzwerke, wobei verschiedene Fahrzeugkomponenten wie Sensoren, Aktoren, Steuergeräte usw. in einem Netzwerk mit einem echtzeitfähigen Kommunikationssystem miteinander verbundenen sind. Zum fehlerfreien Betrieb des Fahrzeugs ist es dabei von Bedeutung, dass eine Übertragung von Daten in dem Fahrzeugnetzwerk, z.B. von Sensordaten, Ansteuerbefehlen usw., in Echtzeit erfolgen kann.
Ferner ist auch die Verwendung des Verfahrens für Netzwerke zur Gebäudesteuerung oder Hausautomation in besonders vorteilhafter Weise denkbar.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Netzwerk, welches zur Datenübertragung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
2 zeigt schematisch ein Datenpaket, welches im Zuge einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Netzwerk übertragen werden soll.
3 zeigt schematisch Teildatenpakete, in welche Datenpaket im Zuge einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterteilt werden kann.
4 zeigt schematisch ein Diagramm einer Latenzzeit in Abhängigkeit von einer Anzahl an Netzwerkverteilereinheiten, welches einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Grunde liegen kann.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Netzwerk schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet, welches zur Datenübertragung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
In dem Netzwerk 100 sind ein erster Netzwerkteilnehmer 110 und ein zweiter Netzwerkteilnehmern 120 über eine Vielzahl von Netzwerkverteilereinheiten bzw. Switches 131, 132, 133, 134 miteinander verbunden.
Um eine echtzeitfähige Kommunikation zu ermöglichen, ist in dem Netzwerk 100 beispielsweise ein auf Ethernet basierendes echtzeitfähiges Netzwerksystem eingerichtet. Insbesondere basiert das Netzwerk 100 auf Ethernet-, IEEE802-sowie TSN-Standards. Datenpakte mit zeitkritischen Daten werden insbesondere auf der zweiten OSI Schicht (OSI-Layer-2) übertragen.
Die Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 sind jeweils insbesondere als TSN-Switche ausgebildet und zur Weiterleitung von Datenpaketen gemäß den Normen IEEE802.1Q-2018 bzw. IEEE802.1Qbv eingerichtet.
Eine Weiterleitung von Datenpaketen erfolgt durch die Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 jeweils gemäß dem „Store-and-Forward“-Verfahren bzw. Teilstreckenverfahren, wobei ein Datenpaket zunächst komplett empfangen wird, danach einer Prüfung unterzogen wird und bei erfolgreicher Prüfung weiter gesendet wird.
Beispielsweise kann es sich bei dem Netzwerk 100 um ein Netzwerk in der Automatisierungstechnik bzw. der industriellen Steuerungstechnik handeln, wobei Komponenten einer Maschine bzw. Anlage als Netzwerkteilnehmer 110, 120 miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann es sich bei einer derartigen Anlage um eine (Band-) Anlagen zur Herstellung eines Automobils oder zur Herstellung von Komponenten eines Automobils (z.B. Verbrennungsmotoren oder Steuergeräte) handeln. Beispielsweise können die Netzwerkteilnehmer 110, 120 dabei jeweils als Steuereinheiten oder Feldgeräte wie Sensoren, Aktoren, Antriebsregler, E/A-Geräte usw. ausgebildet sein.
Ferner kann es sich bei dem Netzwerk 100 auch um ein Fahrzeugnetzwerk eines (Kraft-) Fahrzeugs handeln, wobei verschiedene Fahrzeugkomponenten als Netzwerkteilnehmer 110, 120 miteinander verbunden sind, beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Aktoren usw.
Der erste Netzwerkteilnehmer 110 überträgt - beispielsweise periodisch - zeitkritische Daten über die Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133 und 134 an den zweiten Netzwerkteilnehmer 120. Es sei angenommen, dass für den dargestellten Übertragungspfad über die vier Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 ein optimaler Zeitplan nach dem TSN-Standard IEEE802.1Qbv konfiguriert wurde, so dass zeitkritische Pakete mit minimaler Latenz übertragen werden können und nicht auf die Übertragung von anderen Paketen warten müssen.
Es versteht sich, dass das Netzwerk 100 noch weitere Komponenten aufweisen kann, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht explizit dargestellt sind.
In 2 ist ein Datenpaket 200 mit zeitkritischen Daten schematisch dargestellt, welches von dem ersten Netzwerkteilnehmer 110 über die einzelnen Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 an den zweiten Netzwerkteilnehmer 120 übertragen werden soll.
Das Datenpaket 200 stellt zweckmäßigerweise eine Protokolldateneinheit („Protocol Data Unit“, PDU) gemäß OSI-Layer-2 dar. Die zeitkritischen Daten sind in dem Datenpaket 200 in einer Servicedateneinheit 210 hinterlegt („Service Data Unit“, SDU). Ferner umfasst das Datenpaket 200 Konfigurations- bzw. Verwaltungsinformationen 220, 230, 240, 250 bezüglich der Datenübertragung in dem Netzwerk 100.
Die Konfigurationsinformationen umfassen beispielsweise ein Präambel 220, zweckmäßigerweise zur zeitlichen Abstimmung der Datenübertragung bzw. zur Synchronisation des Taktes, sowie ferner insbesondere einen Header 230, z.B. einen MAC-Header („Media Access Control“), der insbesondere Adresse des Absenders und des Empfängers umfasst, also des ersten und zweiten Netzwerkteilnehmers 110, 120.
Ferner umfassen die Konfigurationsinformationen beispielsweise eine Prüfsumme 240 („Frame Check Sequence“, FCS), mittels welcher das Datenpaket 200 nach dessen Empfang einer Überprüfung auf Korrektheit unterzogen werden kann, sowie ferner insbesondere eine bestimmte Anzahl an Bytes zur Abstandseinhaltung 250 („Inter Frame Gap“, IFG), so dass ein minimaler zeitlicher Abstand zwischen zwei nacheinander gesendeten Datenpakete in dem Netzwerk 200 eingehalten werden kann.
Im vorliegenden Beispiel soll die SDU 210 eine Größe von 400 Bytes besitzen. Das Präambel 220 besitzt beispielsweise eine Größe von 8 Bytes, der Header 230 ist z.B. 18 Bytes groß, die Prüfsumme 240 beträgt 4 Bytes und 12 Bytes sind für das IFG 250 vorgesehen.
Insgesamt besitzt das Datenpaket 200 somit eine Größe x von 442 Bytes. Bei einer Datenrate in dem Netzwerk 100 von z.B. 1 Gb/s entspricht diese Größe x von 442 Bytes einer Länge bzw. Übertragungsdauer von 3536 ns.
Es sei beispielhaft angenommen, dass die einzelnen Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 jeweils eine paketlängenunabhängige Latenz von 1644 ns und ferner eine paketlängenabhängige Latenz von 8 ns mal die Größe der SDU des Datenpakets besitzen. Für die Übertragung des Datenpakets 200 über die vier Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 würde sich folgende Latenzzeit ergeben: $4 * (1644 ns + 8 ns * 400) = 19392 ns$
Um nun die Latenzzeit für die Übertragung der zeitkritischen Daten zu verringern, wird das Datenpaket 200 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in wenigstens zwei Teildatenpakete unterteilt.
In 3 sind schematisch vier derartige Teildatenpakete 300 dargestellt, in welche das Datenpaket 200 unterteilt werden kann.
Wie auch das Datenpaket 200 umfasst jedes Teildatenpaket 300 jeweils eine SDU 310, ein Präambel 320, einen Header 330, eine Prüfsumme 340 und ein IFG 350. Die zeitkritischen Daten sind dabei beispielsweise in vier gleichgroße Teile unterteilt und in den Servicedateneinheiten 310 der Teildatenpakete 300 hinterlegt. Beispielsweise weist somit jede SDU 310 eine Größe von 100 Bytes auf.
Entsprechend dem Datenpaket 200 besitzen Präambel 320, Header 330, Prüfsumme 340 und IFG 350 eines jeden Teildatenpakets 300 jeweils eine Größe von 8 Bytes, 18 Bytes, 4 Bytes bzw. 12 Bytes. Jedes Teildatenpaket 300 besitzt somit eine Größe y von 142 Bytes, was bei einer Datenrate von z.B. 1 Gb/s einer Länge von 1136 ns entspricht.
Somit ist zwar die gesamte Größe bzw. Länge der vier Teildatenpakete 300 mit 568 Bytes bzw. 4544 ns größer als das Datenpaket 200 mit 442 Bytes bzw. 3536 ns. Die gesamte Latenzzeit für die Übertragung der vier Teildatenpakete 300 ist jedoch geringer, als es die Latenzzeit für die Übertragung des Datenpakets 200 wäre.
Vorzugsweise wird die Anzahl der Teildatenpakete 300, in welche das Datenpaket 200 unterteilt wird, in Abhängigkeit von der Anzahl und von den Eigenschaften der an der Übertragung beteiligten Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 sowie ferner vorzugsweise in Abhängigkeit von der Größe x des zu übertragenden Datenpakets 200 gewählt.

In der folgenden Tabelle sind verschiedene Werte angegeben, welche sich für die Übertragung eines gesamten Datenpakets (N=1) sowie für die Aufteilung des Datenpakets in zwei Teildatenpakete (N=2) und in vier Teildatenpakete (N=4) ergeben können.

N	SDU	T₀	T₁	T₄
1	400	442*8ns= 3536ns	1644ns+8ns* 400= 4844ns	44844ns+03536ns= 19392ns
2	200	242*8ns= 1936ns	1644ns+8ns*200= 3244ns	43244ns+11936ns= 14912ns
4	100	142*8ns= 1136ns	1644ns+8ns* 100= 2444ns	42444ns+41136ns= 13152ns

Neben der Größe der SDU in Bytes eines jeweiligen Pakets sind jeweils die Länge bzw. Übertragungsdauer T₀ eines jeweiligen Pakets, die längenabhängige und längenunabhängige Latenz T₁ pro Netzwerkverteilereinheit für ein jeweiliges Paket sowie die gesamte Latenzzeit T₄ für die Übertragung der entsprechenden N Pakete angegeben.
Im Allgemeinen kann sich die Gesamtlatenz T₄ für die Übertragung von N Paketen beispielsweise aus der Übertragungslatenz T₁ des ersten Pakets über alle vier Netzwerkverteilereinheiten 131, 132, 133, 134 und der Dauer T₀ aller weiteren Pakete (N-1) zusammen ergeben: $T_{4} = 4 * T_{1} + (N - 1) * T_{0}$
Wie anhand obiger Tabelle ersichtlich ist, ist die gesamte Ende-zu-Ende-Latenzzeit T₄ von 14912 ns für die Übertragung von zwei Teildatenpaketen um 4,48 µs geringer die Latenzzeit T₄ für die Übertragung des unfragmentierten Datenpakets mit 19392 ns. Die Latenzzeit T₄ von 13152 ns für die Übertragung von vier Teildatenpaketen ist um 6,24 µs geringer als bei der Übertragung des unfragmentierten Datenpakets. Je größer die Anzahl N der Teildatenpakte, umso mehr Latenzzeit kann also eingespart werden.
4 zeigt schematisch ein Diagramm der Ende-zu-Ende-Latenzzeit T in Abhängigkeit von der Anzahl n an Netzwerkverteilereinheiten, über welche eine Datenübertragung stattfindet.
Graph 410 betrifft die Übertragung eines Datenpakets mit einer SDU von 400 Bytes, Graph 420 die Übertragung von insgesamt zwei Teildatenpaketen jeweils mit einer SDU von 200 Bytes und Graph 430 die Übertragung von vier Teildatenpaketen jeweils mit einer SDU von 100 Bytes. Wie zu erkennen ist, kann mit zunehmender Anzahl n an beteiligten Netzwerkverteilereinheiten durch die Unterteilung in Teildatenpakete signifikant Latenzzeit eingespart werden.

Claims

Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk (100), wobei ein Datenpaket (200) mit zeitkritischen Daten versandt wird, indem das zu übertragende Datenpaket (200) in wenigstens zwei Teildatenpakete (300) unterteilt wird und die wenigstens zwei Teildatenpakete (300) zeitlich versetzt versandt werden, und wobei ein Datenpaket mit nicht-zeitkritischen Daten unfragmentiert versandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Datenpaket (200) mit zeitkritischen Daten von einem ersten Netzwerkteilnehmer (110) über wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit (131, 132, 133, 134) an einen zweiten Netzwerkteilnehmer (120) übertragen wird, indem das zu übertragende Datenpaket (200) derart in wenigstens zwei Teildatenpakete (300) unterteilt wird und die wenigstens zwei Teildatenpakete (300) derart zeitlich versetzt über die wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit (131, 132, 133, 134) übertragen werden, dass eine gesamte Latenzzeit (T) für die Übertragung der wenigstens zwei Teildatenpakete (300) geringer ist, als es eine Latenzzeit (T) für die Übertragung des Datenpakets (200) wäre.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die wenigstens zwei Teildatenpakete (300) über die wenigstens eine Netzwerkverteilereinheit (131, 132, 133, 134) jeweils gemäß einem Teilstreckenverfahren übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Anzahl der Teildatenpakete (300), in welche das zu übertragende Datenpaket (200) unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer Anzahl (n) der wenigstens einen Netzwerkverteilereinheiten (131, 132, 133, 134) und/oder von Eigenschaften der wenigstens einen Netzwerkverteilereinheiten (131, 132, 133, 134) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Teildatenpakete (300), in welche das zu übertragende Datenpaket (200) unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer Größe der zeitkritischen Daten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Teildatenpakete (300), in welche das zu übertragende Datenpaket (200) unterteilt wird, in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Latenzzeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Größe des zu übertragendenden Datenpakets (200) höchstens so groß ist wie eine maximal zulässige Größe für in dem Netzwerk (100) übertragbare Datenpakete.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Unterteilung des zu übertragenden Datenpakets (200) in die wenigstens zwei Teildatenpakte (300) von dem ersten Netzwerkteilnehmer (110) durchgeführt wird oder von einer mit dem ersten Netzwerkteilnehmer (110) verbundenen Gatewayeinheit oder von einer der wenigstens einen Netzwerkverteilereinheit (131, 132, 133, 134).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zu übertragende Datenpaket (200) und die wenigstens zwei Teildatenpakete (300) jeweils Nachrichten gemäß der zweiten Schicht des OSl-Modells sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Netzwerk (100) auf Ethernet und/oder auf IEEE802-Standards und/oder auf TSN-Standards basiert.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.