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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung in einem Netzwerk sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Die Reservierung derartiger Zeitfenster kann beispielsweise nach dem sog. „Enhanced Stream Reservation Protocol“ (SRP) nach IEEE802.1Qcc erfolgen. Dabei werden Information bezüglich der einzuplanenden Datenströme von der Anwendung mit einer Verwaltungseinheit des Netzwerks (Netzwerkmanagement) ausgetauscht. Diese Informationen umfassen beispielsweise Identifikationsmerkmale zur Erkennung von Datenpaketen des jeweiligen Datenstroms, Eigenschaften des Senders und Empfängers, Eigenschaften der Datenpakete wie deren Größe, Eigenschaften bezüglich der Übertragung, z.B. eine Zykluszeit für eine zyklische Übertragung der Datenpakete, sowie ferner beispielsweise Anforderungen bezüglich Latenz, Redundanz usw.
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Das Netzwerkmanagement kann aus diesen Anfragen den möglichen Pfad durch das Netzwerk ermitteln und ferner insbesondere zusammen mit Daten weiterer Datenströme einen Zeitplan bestimmen, zu welchen Zeitpunkten an einzelnen Switches Übertragungsressourcen explizit für bestimmte Datenpakete reserviert werden und nicht mehr der Allgemeinheit zur Verfügung stehen. Das SRP sieht insbesondere vor, dass Netzwerkteilnehmer, welche ihre reservierten Ressourcen nicht mehr benötigen, sich erneut beim Netzwerkmanagement melden und die Reservierung zurückziehen.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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Eine bestimmte Menge an Ressourcen des Netzwerks wird für eine Datenübertragung eines ersten Netzwerkteilnehmers an wenigstens einen zweiten Netzwerkteilnehmer gemäß vorbestimmten Reservierungsinformationen reserviert.
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Besonders zweckmäßig sollen im Zuge der Datenübertragung zeitkritische Daten übertragen werden und die Datenübertragung soll insbesondere in Echtzeit erfolgen. Die zeitkritischen Daten sollen also zu einem definierbaren Zeitpunkt bzw. innerhalb eines definierbaren Zeitraums garantiert den erwünschten Netzwerkteilnehmer erreichen oder erreicht haben.
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Die Datenübertragung kann dabei direkt zwischen den jeweiligen Netzwerkteilnehmern oder zweckmäßigerweise auch über eine oder mehrere Verteiler bzw. Switches erfolgen. Es versteht sich, dass das Netzwerk noch weitere Netzwerkteilnehmer aufweisen kann.
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Als derartige reservierte Ressourcen sei im vorliegenden Zusammenhang insbesondere zu verstehen, dass eine bestimmte Übertragungsbandbreite bzw. dass bestimmte Zeitfenster vorgegebener Länge exklusiv für diese Datenübertragung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere können diese Zeitfenster für eine zyklische Datenübertragung vorgesehen sein, so dass der erste Netzwerkteilnehmer entsprechende Datenübertragungen in bestimmten Zykluszeiten durchführen kann. In diesen exklusiv reservierten Zeitfenstern ist es zweckmäßigerweise nur dem ersten Netzwerkteilnehmer erlaubt, eine Datenübertragung vorzunehmen.
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Das vorliegende Verfahren sieht nun eine Möglichkeit vor, um zu erkennen, ob derartige reservierte Ressourcen für längere Zeit nicht oder zumindest nicht vollständig ausgeschöpft werden und somit Übertragungsbandbreite ungenutzt bleibt. Ferner ermöglicht es das Verfahren zu erkennen, wenn reservierte Zeitfenster nicht rechtzeitig erreicht bzw. verwendet werden können und es so zu einer erhöhten Latenz der Datenübertragung kommt.
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Im Rahmen des Verfahrens werden Übertragungseigenschaften bezüglich einer durchgeführten Datenübertragung des ersten Netzwerkteilnehmers an den wenigstens einen zweiten Netzwerkteilnehmer bestimmt. Diese Übertragungseigenschaften betreffen insbesondere die im Zuge der Datenübertragung tatsächlich verbrauchten Ressourcen des Netzwerkes.
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Die Übertragungseigenschaften werden mit den Reservierungsinformationen verglichen. In Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs wird bewertet, ob eine vorgegebene Maßnahme durchgeführt wird, welche insbesondere die reservierten Ressourcen betrifft, oder ob insbesondere die Datenübertragung des ersten Netzwerkteilnehmers weiterhin erlaubt wird bzw. weiterhin durchgeführt werden darf.
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Zweckmäßigerweise werden somit Eigenschaften der tatsächlich durchgeführten Datenübertragung bzw. der im Zuge der Datenübertragung übertragenen Datenpakete mit den Eigenschaften der reservierten Ressourcen verglichen. Weichen die Übertragungseigenschaften und die Reservierungsinformationen voneinander ab, deutet dies insbesondere darauf hin, dass die reservierten Ressourcen nicht oder zumindest nicht vollständig ausgenutzt werden oder zu einem unerwarteten Zeitpunkt in Anspruch genommen werden. Durch die vorgegebene Maßnahme kann entsprechend auf einen derartigen Umstand reagiert werden.
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Durch eine derartige Überwachung der durchgeführten Datenübertragung und durch stetigen Vergleich von tatsächlichem und konfiguriertem bzw. reserviertem Verhalten des ersten Netzwerkteilnehmers können die im Netzwerk verfügbaren Ressourcen effizient genutzt werden. Bei Abweichungen von dem reservierten Verhalten kann entsprechend reagiert werden und die reservierten Ressourcen können effizienter vergeben werden. Ferner können die durch den Vergleich erlangten Erkenntnisse bei zukünftiger Systemkonfiguration berücksichtig werden. Insbesondere können Anwendungsanforderungen unterstütz und erfüllt werden. Notwendige Bandbreitenreserven können möglichst gering gehalten werden und zweckmäßigerweise anderen Netzwerkteilnehmern bzw. anderen Diensten zur Verfügung gestellt werden.
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Die Reservierung der Ressourcen kann insbesondere gemäß dem eingangs erläuterten sog. „Enhanced Stream Reservation Protocol“ (SRP) nach IEEE802.1Qcc erfolgen. Der erste Netzwerkteilnehmer kann zu diesem Zweck eine Anfrage bezüglich der gewünschten Datenübertragung an eine Konfigurations- bzw. Verwaltungseinheit des Netzwerks stellen. Sofern entsprechende Anforderungen bezüglich der Datenübertragung von dem Netzwerk erfüllt werden können, werden entsprechende Ressourcen reserviert, insbesondere vorrangig bzw. exklusiv für die gewünschte Datenübertragung. Eigenschaften bzw. Informationen dieser Ressourcen können zweckmäßigerweise als Reservierungsinformationen hinterlegt und an einzelne für die Datenübertragung benötigte Komponenten wie Switches übermittelt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Übertragungseigenschaften mit den Reservierungsinformationen dahingehend verglichen, ob eine für die durchgeführte Datenübertragung benötigte bzw. tatsächliche benötigte Menge an Ressourcen geringer ist als die für die Datenübertragung reservierte Menge an Ressourcen. Insbesondere wird zu diesem Zweck überprüft, ob eine Länge bzw. Größe von im Zuge der Datenübertragung übertragenen Datenpaketen geringer ist als eine für die Datenübertragung reservierte Länge bzw. Größe. Der erste Netzwerkteilnehmer übermittelt in diesem Fall also weniger Daten bzw. kürzere Datenpakete, als es ihm seine Reservierung erlauben würde. Ferner kann zweckmäßigerweise überprüft werden, ob bei zyklischer Datenübertragung eine tatsächliche Zykluszeit länger ist als eine reservierte Zykluszeit. In diesem Fall überträgt der erste Netzwerkteilnehmer also seltener Daten bzw. weniger Datenpakete, als er es eigentlich gemäß seiner Reservierung dürfte. Ferner kann zweckmäßigerweise überprüft werden, ob der erste Netzwerkteilnehmer überhaupt keine Daten überträgt und die für ihn reservierter Ressourcen somit vollkommen ungenutzt bleiben. In diesen Fällen bleibt somit ein Teil der Bandbreite des Netzwerks ungenutzt und steht nicht mehr zur Verfügung. Durch die vorgegebene Maßnahme kann insbesondere entsprechend reagiert werden, um diese ungenutzten Ressourcen in dem Netzwerk für weitere Netzwerkteilnehmer wieder zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann somit verhindert werden, dass es in Netzwerken, in welchen viel Bandbreite benötigt wird und einzelne Links voll ausgelastet sind, durch ungenutzte, reservierte Ressourcen zu merkbaren Einschränkungen kommt, obwohl für die aktuell laufenden Anwendungen eigentlich genug Bandbreite zur Verfügung stehen würde.
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Besonderes bevorzugt werden die Übertragungseigenschaften mit den Reservierungsinformationen dahingehend verglichen, ob eine zeitliche Verzögerung der durchgeführten Datenübertragung von einer für die Reservierung der bestimmten Menge an Ressourcen angenommenen zeitlichen Verzögerung abweicht. Eine derartige zeitliche Verzögerung kann sich insbesondere durch Schwankungen, Rauschen oder Fehler bei Signalübertragungen und/oder bei der Synchronisation von Netzwerkteilnehmer ergeben. Diese zeitliche Verzögerung wirkt sich insbesondere auf einen Empfangszeitpunkt aus, zu welchem die Datenübertragung bzw. ein im Zuge der Datenübertragung übertragenes Datenpaket empfangen wird. Im Zuge der Reservierung wird zweckmäßigerweise ein bestimmter Puffer bzw. eine zeitliche Reserve für die Datenübertragung eingeplant. Durch Vergleich der Übertragungseigenschaften und der Reservierungsinformationen kann insbesondere bewertet werden, wie präzise dieser Puffer bzw. diese Reserve angenommen ist. Bei einer Abweichung zwischen tatsächlicher und angenommener zeitlicher Verzögerung können beispielsweise die Reservierung und/oder eine Konfiguration des ersten Netzwerkteilnehmers entsprechend angepasst werden.
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Vorzugsweise umfasst die zeitliche Verzögerung einen Zeitversatz und/oder eine Taktschwankung und/oder eine Laufzeitschwankung eines im Zuge der Datenübertragung übertragenen Datenpakets. Als Zeitversatz sei insbesondere eine Abweichung eines erwarteten Sende- und/oder Empfangszeitpunkts und eines tatsächlichen Sende- bzw. Empfangszeitpunkts des Datenpakets zu verstehen. Insbesondere kann es zu einem derartigen Zeitversatz durch nicht vollständige Zeit-Synchronisation zwischen Netzwerkteilnehmern kommen. Insbesondere wird versucht, ein gleiches Zeitverständnis einzelner Netzwerkteilnehmer durch Synchronisationsmechanismen zu erreichen, wie sie beispielsweise in der Norm IEEE802.1AS beschrieben sind. Eine perfekte Synchronisation lässt sich jedoch zumeist nicht erreichen, so dass zwischen den internen Uhren verschiedener Netzwerkteilnehmer eine gewisse Ungenauigkeit bzw. ein gewisser Zeitversatz bleibt. Durch möglichst genaue Synchronisation der an der Datenübertragung beteiligten Komponenten des Netzwerks kann insbesondere eine möglichst geringe Übertragungszeit erreicht werden. Durch einen großen Zeitversatz zwischen einem eingeplanten und einem tatsächlichen Sende- bzw. Empfangszeitpunkt kann sich jedoch die Latenz der Datenübertragung unnötig verlängern. Wenn im Zuge des Vergleichs von Übertragungseigenschaften und Reservierungsinformationen erkannt wird, dass der Zeitversatz einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, kann als vorgegebene Maßnahme beispielsweise der erste Netzwerkteilnehmer angewiesen werden, den Sendezeitpunkt entsprechend anzupassen, oder die Reservierung der Ressourcen kann entsprechend angepasst werden.
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Taktschwankung und Laufzeitschwankung, jeweils auch als „Jitter“ bezeichnet, betreffen insbesondere Genauigkeitsschwankungen bei der Datenübertragung. Beispielsweise kann die Laufzeitschwankung eine Streuung bzw. Varianz der Laufzeit von Datenpaketen betreffen. Die Taktschwankung kann insbesondere eine Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt betreffen. Ein derartiges Taktzittern kann zu einer Verschiebung einzelner Impulse eines digitalen Signals führen. Derartiger „Jitter“, also derartige Takt- bzw. Laufzeitschwankungen können insbesondere zu Schwankung der Empfangszeitpunkte zyklisch übertragener Datenpakete führen. Für die Datenübertragung und die Reservierung der entsprechenden Ressourcen werden insbesondere ein zeitlicher Puffer bzw. zeitliche Reserven für „Jitter“, also für Takt- bzw. Laufzeitschwankungen, angenommen.
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Sind die tatsächlichen Schwankungen jedoch größer als für die Reservierung angenommen und schwanken die Empfangszeitpunkte somit mehr als erwartet, kann dies dazu führen, dass reservierte Zeitfenster von einzelnen Datenpaketen nicht rechtzeitig erreicht werden können. Derartige Datenpakete können gegebenenfalls nicht rechtzeitig übertragen werden, werden gegebenenfalls verworfen oder können eventuell erst mit einem Zyklus Verspätung zugestellt werden. Dies kann zu einem unerwünschten Verhalten von Anwendungen führen. Wird im Zuge des Vergleichs von Übertragungseigenschaften und Reservierungsinformationen erkannt, dass derartige Schwankungen jeweils vorgegebene Schwellwerte erreichen, kann als vorgegebene Maßnahme beispielsweise der erste Netzwerkteilnehmer angewiesen werden, Sendezeitpunkte entsprechend anzupassen. Alternativ oder zusätzlich können die zeitlichen Reserven bzw. der zeitliche Puffer für die Reservierung entsprechend angepasst werden.
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Wenn die tatsächlichen Schwankungen hingegen geringer sind als für die Reservierung angenommen, wirkt sich dies insbesondere nicht negativ auf die Datenübertragung aus. In diesem Fall können als vorgegeben Maßnahme beispielsweise für zukünftige Datenübertragungen Reserven bzw. Puffer geringer angenommen werden, wodurch insbesondere die Latenz verringert werden kann. Insbesondere können somit geringere Applikationszykluszeiten und Vorteile auf Applikationsebene erreicht werden.
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Vorteilhafterweise werden eine oder mehrere der nachfolgenden Eigenschaften als Übertragungseigenschaften bestimmt und mit entsprechenden Werten der Reservierungsinformationen verglichen: ein Empfangszeitpunkt, zu welchem ein im Zuge der Datenübertragung übertragenes Datenpaket empfangen wird, insbesondere an einem Verteiler bzw. Switch; eine Größe und/oder Länge eines im Zuge der Datenübertragung übertragenen Datenpakets; eine Zykluszeit von im Zuge der Datenübertragung zyklisch übertragenen Datenpaketen; ein Zeitversatz eines Empfangszeitpunkts, zu welchem ein im Zuge der Datenübertragung übertragenes Datenpaket empfangen wird, insbesondere im Vergleich zu einem erwarteten Empfangszeitpunkt, ferner insbesondere ein tatsächlicher, mittlerer Zeitversatz zu Beginn eines Kommunikationszyklus; eine Taktschwankung und/oder eine Laufzeitschwankung eines im Zuge der Datenübertragung übertragenen Datenpakets, insbesondere eine zeitliche Streuung bzw. Varianz einer Laufzeit eines Datenpakets und/oder eine Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt.
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Insbesondere werden als Ressourcen gemäß den Reservierungsinformationen Zeitfenster bestimmter Länge reserviert, ferner insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen bzw. in bestimmten Zykluszeiten. Somit wird gemäß den Reservierungsinformationen zu reservierten Empfangszeitpunkten mit der Übertragung von Datenpaketen bestimmter Länge bzw. Größe gerechnet. Ferner werden für die Empfangszeitpunkte gemäß den Reservierungsinformationen zweckmäßigerweise zeitliche Reserven bzw. Puffer eingeplant, um Zeitversatz, Taktschwankung und Laufzeitschwankung zu berücksichtigen. Entsprechend werden Längen und Empfangszeitpunkte der tatsächlich durchgeführten Datenübertragungen bestimmt. Aus den bestimmten Empfangszeitpunkten können die tatsächliche Zykluszeit, der tatsächliche, mittlere Zeitversatz, insbesondere zum Beginn eines Kommunikationszyklus, und die zeitliche Streuung bestimmt werden. Diese bestimmten tatsächlichen Werte werden zweckmäßigerweise mit den erwarteten Werten gemäß den Reservierungsinformationen verglichen.
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Vorzugsweise wird, wenn die Übertragungseigenschaften und die Reservierungsinformationen wenigstens für eine erste vorgegebene Zeitdauer um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen, eine erste vorgegebene Maßnahme durchgeführt. Beispielsweise kann im Zuge dieser ersten Maßnahme zunächst eine übergeordnete Instanz, z.B. eine Konfigurations- bzw. Verwaltungseinheit des Netzwerks benachrichtigt werden, dass eine Abweichung erkannt wurde, welche bei länger anhaltendem Auftreten zu einer ineffizienten Nutzung der vorliegenden Ressourcen führen kann.
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Wenn die Übertragungseigenschaften und die Reservierungsinformationen nach Durchführung der ersten vorgegebenen Maßnahme wenigstens für eine zweite vorgegebene Zeitdauer um mehr als den vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen, wird vorzugsweise eine zweite vorgegebene Maßnahme durchgeführt. Insbesondere kann im Zuge dessen durch eine entsprechende Gegenmaßnahme direkt reagiert werden, um die Abweichung zu verringern und die vorliegenden Ressourcen effizienter zu nutzen.
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Vorteilhafterweise wird als vorgegebene Maßnahme, insbesondere als erste vorgegebene Maßnahme, eine Nachricht bzw. eine Meldung oder Warnung ausgesendet, insbesondere an eine übergeordnete Instanz, z.B. an eine zentrale Benutzerkonfigurationseinheit („centralized user configuration“, CUC), an einen Administrator und/oder eine Datenbank. Ferner kann eine entsprechende Nachricht auch an den ersten Netzwerkteilnehmer ausgesendet werden, um diesen anzuweisen, eine Anpassung zur Verringerung der Abweichung von Übertragungseigenschaften und Reservierungsinformationen vorzunehmen.
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Alternativ oder zusätzlich wird als vorgegebene Maßnahme, insbesondere als zweite vorgegebene Maßnahme, vorteilhafterweise die für die Datenübertragung reservierte Menge an Ressourcen verringert, zweckmäßigerweise basierend auf der für die Datenübertragung tatsächlich benötigten Menge an Ressourcen.
Somit wird zweckmäßigerweise darauf reagiert, wenn der erste Netzwerkteilnehmer die für ihn reservierten Ressourcen nicht vollständig ausschöpft.
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Vorzugsweise kann als vorgegebene Maßnahme, insbesondere als erste vorgegebene Maßnahme, der erste Netzwerkteilnehmer aufgefordert werden, eine Korrektur bezüglich eines Zeitversatzes und/oder einer Taktschwankung und/oder einer Laufzeitschwankung vorzunehmen. Beispielsweise kann der erste Netzwerkteilnehmer angewiesen werden, sich neu mit dem Netzwerk zu synchronisieren bzw. seine interne Uhr entsprechend anzupassen oder den Sendezeitpunkt der Datenpakete - zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung der Abweichung - anzupassen.
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Bevorzugt kann als vorgegebene Maßnahme, insbesondere als zweite vorgegebene Maßnahme, ein für die Reservierung der Menge an Ressourcen angenommener Wert bezüglich eines Zeitversatzes und/oder einer Taktschwankung und/oder einer Laufzeitschwankung angepasst werden. Bei unerwartetem Zeitversatz oder „Jitter“ kann die für die Reservierung angenommenen Zeitreserve bzw. der angenommene Puffer entsprechend korrigiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als vorgegebene Maßnahme, insbesondere als zweite vorgegebene Maßnahme, die für die Datenübertragung reservierte Menge an Ressourcen freigegeben. Das Freigeben der Ressourcen kann insbesondere auch bedeuten, dass der Teilnehmer, der diese Ressourcen reserviert hat, aufgefordert wird, diese selbst freizugeben. Diese vorgegebene Maßnahme wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn der erste Netzwerkteilnehmer keine Datenübertragung an den wenigstens einen zweiten Netzwerkteilnehmer durchführt. In diesem Fall wird die reservierte Menge an Ressourcen überhaupt nicht verwendet. Die entsprechende Reservierung kann gelöscht werden und die Ressourcen können für anderweitige Datenübertragungen zur Verfügung gestellt werden. Zweckmäßigerweise können in diesem Fall als erste vorgegebene Maßnahme der erste Netzwerkteilnehmer sowie der wenigstens eine zweite Netzwerkteilnehmer zunächst benachrichtig werden, dass bei weiterem Ausbleiben der Datenübertragung die Ressourcen freigegeben werden.
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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.
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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.
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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.
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Ferner ist auch die Verwendung des Verfahrens für Netzwerke zur Gebäudesteuerung oder Hausautomation in besonders vorteilhafter Weise denkbar.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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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.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Netzwerk, welches zur Datenübertragung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
- 2 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein Netzwerk schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet, welches zur Datenübertragung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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In dem Netzwerk 100 ist eine Vielzahl von Netzwerkteilnehmern 111, 112, 113, 114 vorgesehen und über Verteiler bzw. Switches 121, 122 miteinander verbunden.
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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.
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Die Verteiler 121, 122 sind jeweils insbesondere als TSN-Switche ausgebildet und zur Weiterleitung von Datenpaketen gemäß den Normen IEEE802.1Q-2018 bzw. IEEE802.1Qbv eingerichtet.
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Eine Konfigurationseinheit 130 ist zur Konfiguration von Datenübertragungen über das Netzwerk 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Konfigurationseinheit 130 als eine zentrale Benutzerkonfigurationseinheit („centralized user configuration“, CUC) und/oder als ein zentraler Netzwerkcontroller („central network controller“, CNC) gemäß TSN-Standards ausgebildet sein, beispielsweise wie in IEEE802.1Qcc beschrieben. Insbesondere ist die Konfigurationseinheit 130 vorgesehen, um Ressourcen des Netzwerks für die Datenübertragung bestimmter Netzwerkteilnehmer gemäß dem sog. „Enhanced Stream Reservation Protocol“ (SRP) nach IEEE802.1Qcc zu reservieren.
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Ferner ist eine Überwachungseinheit 140 vorgesehen, um in dem Netzwerk tatsächlich durchgeführte Datenübertragungen zu überwachen. Die Konfigurationseinheit 130 und die Überwachungseinheit 140 können dabei als getrennte bauliche Einheiten realisiert sein oder auch als eine gemeinsame bauliche Einheit. Beispielsweise können die Konfigurations- 130 und Überwachungseinheit 140 als Softwaremodule ausgebildet sein, die von einer gemeinsamen Recheneinheit ausgeführt werden, insbesondere auch in einem Verteiler.
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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.
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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.
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Es versteht sich, dass das Netzwerk 100 noch weitere Komponenten aufweisen kann, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht explizit dargestellt sind.
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In 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm schematisch dargestellt, welche nachfolgend unter Bezug auf die 1 und 2 erläutert werden soll.
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Es wird beispielhaft der Fall angenommen, dass ein erster Netzwerkteilnehmer 111 - beispielsweise periodisch - zeitkritische Daten über an einen zweiten Netzwerkteilnehmer 112 übermitteln möchte.
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Zu diesem Zweck stellt der erste Netzwerkteilnehmer 111 in Schritt 201 eine Anfrage an das Netzwerk 100, insbesondere an die Konfigurationseinheit 130, und teilt dabei insbesondere Informationen bezüglich dieser gewünschten Datenübertragung mit.
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Diese Informationen umfassen beispielswese Identifikationsmerkmale des Senders und des Empfängers, also des ersten und zweiten Netzwerkteilnehmers 111, 112, Identifikationsmerkmale der zu übertragenden Daten bzw. Datenpakete sowie Anzahl und Länge von Datenpakten, welche je Kommunikationszyklus übertragen werden sollen. Ferner umfassen diese Informationen insbesondere ein zeitliches Verhalten des ersten Netzwerkteilnehmers 111, insbesondere einen Startzeitpunkt der gewünschten Datenübertragung sowie eine Zykluszeit und „Jitter“. Ferner können die Informationen beispielsweise Anforderungen an das Netzwerk 100 bezüglich der Datenübertragung umfassen, etwa eine maximale Latenz bis zum Empfänger.
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In Schritt 202 empfängt die Konfigurationseinheit 130 die Anfrage des ersten Netzwerkteilnehmers 111 und überprüft, ob diese erfüllt werden kann. Sofern dies der Fall ist, bestimmt die Konfigurationseinheit 130 einen Datenpfad und genauen Zeitplan für die Datenübertragung, z.B. nach dem TSN-Standard IEEE802.1Qbv, so dass zeitkritische Pakete mit minimaler Latenz übertragen werden können und nicht auf die Übertragung von anderen Paketen warten müssen.
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Nachfolgend wird beispielhaft angenommen, dass dieser ausgewählte Datenpfad von dem ersten Netzwerkteilnehmer 111 über die beiden Verteiler 121, 122 zu dem zweiten Netzwerkteilnehmer 112 verläuft.
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Beispielsweise soll ferner angenommen werden, dass auch der Netzwerkteilnehmer 113 über die beiden Verteiler 121, 122 Daten an den Netzwerkteilnehmer 114 übertragen möchte. Der Abschnitt zwischen den TSN-Switchen 121, 122 wird daher von diesen beiden Datenpfaden verwendet. Um für die zeitkritische Datenübertragung von dem ersten Netzwerkteilnehmer 111 zu dem zweiten Netzwerkteilnehmer 112 möglichst geringe Übertragungszeiten zu erreichen, sind diese Datenpakete auf dem Abschnitt zwischen den Switchen 121 und 122 vorrangig gegenüber nicht-zeitkritischen Paketen zu behandeln.
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Um dies zu ermöglichen reserviert die Konfigurationseinheit 130 in Schritt 203 Ressourcen des Netzwerks 100 exklusiv für die angefragte Datenübertragung, insbesondere gemäß dem „Enhanced Stream Reservation Protocol“ (SRP) nach IEEE802.1Qcc.
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Dabei setzt die die Konfigurationseinheit 130 in den beteiligten Switches 121, 122 lokale Parameter so, dass die Switche 121, 122 in der Lage sind, die späteren zeitkritischen Datenpakete des ersten Netzwerkteilnehmers 111 zu erkennen und entsprechend den angefragten Eigenschaften vorrangig zu behandeln.
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Insbesondere werden zu diesem Zweck gemäß dem „scheduled traffic“ nach IEEE802.1Qbv Ressourcen des Netzwerkes 100 in Form von Zeitschlitze bestimmter Länge definiert, die nur für diese zeitkritischen Datenpakete des ersten Netzwerkteilnehmers 111 aber nicht für andere Datenpakete zur Verfügung stehen. Ferner wird für die Zeitschlitze ein Puffer bzw. eine Zeitreserve vorgesehen, um einen Zeitversatz sowie „Jitter“ zu berücksichtigen.
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In Schritt 204 werden Reservierungsinformationen bezüglich der für die Datenübertragung reservierten Ressourcen hinterlegt, beispielsweise ein Startzeitpunkt, eine Zykluszeit, entsprechende Empfangszeitpunkte und eine Länge von zu übertragenden Datenpaketen sowie ein angenommener Zeitversatz und angenommene Takt- bzw. Laufzeitschwankung. Diese Reservierungsinformationen können in der Konfigurationseinheit 130 sowie in den Verteilern 121, 122 hinterlegt werden und ferner an die Überwachungseinheit 140 übermittelt werden. Ferner wird die erfolgreiche Konfiguration des Netzwerks 100 mitsamt den Reservierungsinformationen an den ersten Netzwerkteilnehmer 111 mitgeteilt, so dass dieser mit dem zyklischen Versenden von Datenpaketen beginnen kann.
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In Schritt 205 werden daraufhin Übertragungseigenschaften bezüglich der durchgeführten Datenübertragung des ersten Netzwerkteilnehmers 111 an den zweiten Netzwerkteilnehmer 112 bestimmt. Beispielweise bestimmen die Switches 121, 122 zu diesem Zweck, wann sie entsprechende Datenpakete des ersten Netzwerkteilnehmers 111 empfangen und wie groß diese Datenpakete sind.
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In Schritt 206 werden aus den Empfangszeitpunkten eine tatsächliche Zykluszeit, ein tatsächlicher, mittlerer Zeitversatz zu Beginn des Kommunikationszyklus und eine zeitliche Streuung als weitere Übertragungseigenschaften bestimmt.
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In Schritt 207 übermitteln die Verteiler 121, 122 diese bestimmten Übertragungseigenschaften an die Überwachungseinheit 140, welche diese Übertragungseigenschaften in Schritt 208 mit den Reservierungsinformationen vergleicht.
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Wenn die bestimmten Übertragungseigenschaften mit den Reservierungsinformationen übereinstimmen oder nicht um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen, wird in Schritt 209 keine Maßnahmen durchgeführt und die Datenübertragung wird weiterhin erlaubt.
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Weichen die Übertragungseigenschaften von den Reservierungsinformationen hingegen für eine erste vorgegebene Zeitdauer um mehr als den vorgegebenen Schwellwert ab, wird in Schritt 210 eine erste vorgegebene Maßnahme durchgeführt. Beispielsweise kann als diese erste vorgegebene Maßnahme eine Nachricht bzw. eine Meldung an eine übergeordnete Instanz abgesetzt werden, z.B. an die Konfigurationseinheit 130, an eine zentrale Benutzerkonfigurationseinheit („centralized user configuration“, CUC), an einen Administrator oder eine Datenbank.
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Wenn die Übertragungseigenschaften und die Reservierungsinformationen auch nach dieser durchgeführten Maßnahme für eine zweite vorgegebene Zeitdauer voneinander um mehr als den vorgegebenen (oder einen anderen geeigneten) Schwellwert abweichen, wird in Schritt 211 eine zweite vorgegebene Maßnahme durchgeführt. Beispielsweise kann die Überwachungseinheit 140 als derartige Maßnahme über die Konfigurationseinheit 130 eine Neukonfiguration der Reservierung basierend auf den tatsächlichen Werten anstoßen.
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Insbesondere können für unterschiedliche Übertragungseigenschaften jeweils unterschiedliche Schwellwerte gewählt werden und ferner unterschiedliche Maßnahmen bei Abweichungen von dem jeweiligen Schwellwert durchgerührt werden.
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Wenn beispielsweise die Datenübertragung die reservierten Ressourcen nicht ausschöpft, z.B. wenn die Länge der übertragenen Datenpakete geringer ist als die reservierte Länge, kann als erste Maßnahme 210 eine Meldung ausgegeben werden und nach dieser vorangegangenen Meldung 210 kann als zweite Maßnahme 211 die Reservierung automatisch umkonfiguriert werden. Zu diesem Zweck können die reservierten Ressourcen gemäß dem tatsächlichen Verbrauch reduziert werden. Um Overhead zu vermeiden, sind hier Schwellwerte sinnvoll, so dass eine Umkonfiguration insbesondere nur dann erfolgt, wenn sich die Zykluszeit oder die Paketlänge um mehr als einen bestimmten Wert von der Reservierung unterscheidet.
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Werden für die erste Zeitdauer keine Datenpakete des ersten Netzwerkteilnehmers 111 mehr detektiert, kann die Reservierung vollständig gelöscht werden. Zuvor werden als erste Maßnahme 210 zweckmäßigerweise der erste und zweite Netzwerkteilnehmer 111, 112 über die drohende Löschung benachrichtigt. Als zweite Maßnahme 211 werden die reservierten Ressourcen dann tatsächlich freigegeben.
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Wird für die erste Zeitdauer detektiert, dass die Datenpakete zwar mit der reservierten, erwarteten Länge und Zykluszeit empfangen werden, der Empfangszeitpunkt aber vom erwarteten Wert abweicht, werden zwar keine Ressourcen verschwendet, gegebenenfalls wird durch diesen entsprechenden Unterschied von eingeplantem und tatsächlichem Sendezeitpunkt jedoch die Latenz unnötig verlängert. Eine zweckmäßige erste Maßnahmen 210 ist in diesem Fall eine Meldung an den sendenden Netzwerkteilnehmer 111 zur Änderung des tatsächlichen Sendezeitpunktes. Als zweite Maßnahme 211 kann die Reservierung entsprechend neu konfiguriert werden.
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Wird für die erste Zeitdauer detektiert, dass die Datenpakete zwar mit reservierter, erwarteter Länge und Zykluszeit empfangen werden, der Empfangszeitpunkt aber mehr schwankt bzw. „jittert“, als für die ursprüngliche Reservierung angenommen, kann es sein, dass reservierte Zeitfenster von einzelnen Datenpaketen nicht rechtzeitig erreicht werden. Diese Datenpakete können somit nicht rechtzeitig übertragen werden, werden eventuell verworfen oder erst mit einem Zyklus Verspätung zugestellt. Dies kann zu ungewünschten Verhalten von Anwendungen führen. Als eine erste Maßnahme 210 kann eine Meldung an den sendenden Netzwerkteilnehmer 111 zur Änderung des tatsächlichen Sendezeitpunktes ausgegeben werden. Als zweite Maßnahme 211 kann die Reservierung entsprechend angepasst werden und eine höhere Zeitreserve kann eingeplant werden, um derartige Abweichungen besser abzufangen. Ferner kann diese Information bezüglich der Abweichung insbesondere bei zukünftigen Reservierungen berücksichtigt werden.
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Wird für die erste Zeitdauer detektiert, dass die Datenpakete mit erwarteter Länge und Zykluszeit empfangen werden, der Empfangszeitpunkt aber weniger schwankt bzw. „jittert“, als bei der ursprünglichen Reservierung angenommen, sind zunächst keine negativen Auswirkungen zu spüren. Als erste Maßnahme kann jedoch die für die Reservierung angenommene Zeitreserve verringert werden. Ferner kann auch für zukünftige Reservierungen eine geringere Zeitreserve berücksichtigt werden. Insbesondere kann somit eine reduzierte Latenz bei der Datenübertragung erreicht werden, wodurch das Netzwerk 100 insbesondere geringere Applikationszykluszeiten oder Vorteile auf Applikationsebene erreichen kann.
