DE102021122380A1 - Network coupling device for a network and network with a network coupling device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Netzwerk-Kopplungseinrichtung (1) zur Anbindung zumindest eines Geräts (2) an ein Netzwerk (N) über eine elektrische Leitung (L), mit zumindest einer Anschluss-Einheit (P1, ..., P16) zur Verbindung des zumindest einen Geräts (2) mit der Netzwerk-Kopplungseinrichtung (1) über die elektrische Leitung (L), und zumindest einer Sende-Empfangs-Einheit (T1, ..., T16), wobei die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit (T1, ..., T16) der zumindest einen Anschluss-Einheit (P1, ..., P16) zugeordnet ist und zum Ein- und/oder Auskoppeln zumindest eines Signals in die Leitung (L) und/oder aus der Leitung (L) konfiguriert ist, und mit einer Steuereinheit (SE), wobei die Steuereinheit (SE) konfiguriert ist, das zumindest eine Signal über die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit (T1, ..., T16) und die zumindest eine Anschluss-Einheit (P1, ..., P16) an das Gerät (2) zu leiten und/oder von dem Gerät (2) zu empfangen, wobei die Netzwerk-Kopplungseinrichtung (1) zumindest ein Wandlungsmodul (SM1, ..., SM4) umfasst, wobei das zumindest eine Wandlungsmodul (SM1, ..., SM4) zwischen der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit (T1, ..., T16) und der Steuereinheit (SE) angeordnet ist und konfiguriert ist, das zumindest eine Signal zur Übertragung zwischen der Steuereinheit (SE) und der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit (T1, ..., T6) zu wandeln. Die Erfindung betrifft ferner ein Netzwerk (N) mit einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung (1). The invention relates to a network coupling device (1) for connecting at least one device (2) to a network (N) via an electrical line (L), with at least one connection unit (P1, ..., P16) for connecting the at least one device (2) with the network coupling device (1) via the electrical line (L), and at least one transceiver unit (T1, ..., T16), wherein the at least one transceiver unit ( T1, ..., T16) is assigned to the at least one connection unit (P1, ..., P16) and for coupling and/or decoupling at least one signal into the line (L) and/or from the line (L ) is configured, and with a control unit (SE), wherein the control unit (SE) is configured to transmit the at least one signal via the at least one transceiver unit (T1, ..., T16) and the at least one connection unit (P1, ..., P16) to the device (2) to conduct and / or to receive from the device (2), wherein the network coupling device (1) at least one Wan processing module (SM1, ..., SM4), wherein the at least one conversion module (SM1, ..., SM4) between the at least one transceiver unit (T1, ..., T16) and the control unit (SE) is arranged and is configured to convert the at least one signal for transmission between the control unit (SE) and the at least one transceiver unit (T1, ..., T6). The invention also relates to a network (N) with a network coupling device (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Netzwerk-Kopplungseinrichtung zur Anbindung von Endgeräten an ein Netzwerk, vorzugsweise an ein Ethernet-Netzwerk.The present invention relates to a network coupling device for connecting terminals to a network, preferably to an Ethernet network.
Das so genannte Industrielle Internet der Dinge („Industrial Internet of Things/IIoT“) stellt beispielsweise im Bereich des Industrial Ethernet in der Fertigungs- und Prozessindustrie besondere Anforderungen an die Netzwerktechnik zur Prozessautomation. Einerseits sollen zukünftig viele Netzwerkteilnehmer, das heißt Endgeräte und diese möglichst einfach an das Netzwerk anschließbar sein, was zu einer Miniaturisierung der Netzwerktechnik führt. Andererseits steigt allerdings auch der Bedarf zur Übertragung großer Datenmengen und somit an hohen Datenübertragungsraten, insbesondere beispielsweise auch durch den Einsatz von Künstliche-Intelligenz-(KI)-Technologien.The so-called Industrial Internet of Things (IIoT) places particular demands on network technology for process automation in the area of Industrial Ethernet in the manufacturing and process industries, for example. On the one hand, in the future, many network participants, ie end devices, should be able to be connected to the network as easily as possible, which leads to miniaturization of network technology. On the other hand, however, the need to transmit large amounts of data and thus high data transmission rates is also increasing, in particular, for example, through the use of artificial intelligence (AI) technologies.
Vor dem Hintergrund der besonderen Anforderungen der Fertigungs- und Prozessindustrie, wurde der so genannte Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) Standard entwickelt, welcher nach dem ISO/OSI-7-Schichtenmodell eine zusätzliche physikalische Schicht der Ethernet-Kommunikationstechnologie darstellt und somit die Kodierung von Bits in elektrische Signale und die Übertragung der elektrischen Signale (Impulse) regelt. Anstelle von 8-adrigen Leitungen mit vier Adernpaaren kommen hierbei Zweidrahtleitungen zum Einsatz. Dadurch können beispielsweise viele kleine Endgeräte, wie beispielsweise Sensoren, Schalter, Bedienelemente, über einen Ethernet-Switch als Kopplungseinrichtung relativ einfach an ein Steuerungsnetzwerk angebunden werden. Die Datenübertragungsrate von 10Mbit/s ist für derartige Endgeräte ausreichend.Against the background of the special requirements of the manufacturing and process industry, the so-called Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) standard was developed, which represents an additional physical layer of Ethernet communication technology according to the ISO/OSI 7-layer model and thus the coding of bits into electrical signals and the transmission of electrical signals (impulses). Instead of 8-wire cables with four wire pairs, two-wire cables are used here. As a result, for example, many small end devices, such as sensors, switches, operating elements, can be connected relatively easily to a control network via an Ethernet switch as a coupling device. The data transmission rate of 10Mbit/s is sufficient for such end devices.
Ferner wird mit dem Begriff „IEEE Std 802.3cg™-2019“ im Bereich der lokalen Netzwerke (LAN) der weiterentwickelte Ethernet-Datenübertragungsstandard zur drahtgebundenen Kommunikation definiert oder spezifiziert, welcher Datenübertragungsraten mit 10Mbit/s ermöglicht. Die Übertragung von Daten, das heißt Ethernet-Signalen erfolgt über eine Leitung, die, wie oben bereits beschrieben, aus zwei Einzeladern, das heißt aus zwei isolierten elektrischen Drähten auf Kupferbasis besteht. Die Stammleitung („Trunk“) eines derartigen Netzwerks kann maximal 1000m lang sein und Stichleitungen („Spurs“) maximal 200m. Die zwei Einzeladern des einzigen Adernpaars sind hierbei vorzugsweise miteinander verdrillt. Derartige Leitungen werden auch als „Twisted-Pair-Kabel“ bezeichnet. Das Übertragungsprotokoll dieses Netzwerkstandards, welcher auch als „Single-Pair-Ethernet“ bezeichnet wird, ist echtzeitfähig und ermöglicht einfache und robuste Verkabelungen.Furthermore, the term "IEEE Std 802.3cg™-2019" in the area of local area networks (LAN) defines or specifies the further developed Ethernet data transmission standard for wired communication, which enables data transmission rates of 10Mbit/s. Data, ie Ethernet signals, are transmitted via a line which, as already described above, consists of two individual cores, ie two insulated copper-based electrical wires. The main line ("trunk") of such a network can be a maximum of 1000m long and stub lines ("spurs") a maximum of 200m. The two individual cores of the single pair of cores are preferably twisted together. Such lines are also referred to as "twisted pair cables". The transmission protocol of this network standard, which is also known as "single-pair Ethernet", is real-time capable and enables simple and robust cabling.
Zur Bereitstellung der oben beschriebenen Datenübertragungstechnologie mittels elektrischer Signale sind aus dem Stand der Technik halbleiterbasierte Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten („Physical-Layer-(PHY) -Transceiver“), das heißt Einkanal-Ethernet-Transceiver bekannt, welche/r mit der IEEE 802.3cg™ 10Base-T1L-Spezifikation konform sind und mit einer einzigen angeschlossenen Twisted-Pair-Zweidrahtleitung Ethernet-Signale mit einer Datenübertragungsrate von 10Mbit/s übertragen können. Es handelt sich hierbei beispielsweise um die Single-Pair-Ethernet-PHY-Bausteine „DP83TD510E“ der Firma Texas Instruments Incorporated sowie „ADIN1100“ der Firma Analog Devices, Inc.In order to provide the data transmission technology described above by means of electrical signals, the prior art has semiconductor-based single-channel transceiver units ("physical layer (PHY) transceivers"), i.e. single-channel Ethernet transceivers, which conform to the IEEE 802.3cg™ 10Base-T1L specification and can transmit Ethernet signals with a data transmission rate of 10Mbit/s with a single connected twisted-pair two-wire line. These are, for example, the single-pair Ethernet PHY modules "DP83TD510E" from Texas Instruments Incorporated and "ADIN1100" from Analog Devices, Inc.
Allerdings sind diese Sende-Empfangs-Einheiten der physikalischen Schicht nach dem ISO/OSI-7-Schichtenmodell als Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten („Einzelport-Transceiver“) für Endgeräte mit einem einzigen Kanal und somit mit einer externen Schnittstelle konzipiert und nicht für Ethernet-Switche, das heißt Kopplungseinrichtungen mit mehrkanaligen Sende-Empfangs-Einheiten für hohe Datenübertragungsraten von beispielsweise 1 GBit/s und allerdings kleineren maximalen Längen der Leitungen von beispielsweise 100m. Ein Kanal der Sende-Empfangs-Einheit stellt dabei einen Port, das heißt ein externes Interface zur Verfügung.However, according to the ISO/OSI 7-layer model, these transmission/reception units of the physical layer are designed as single-channel transmission/reception units (“single-port transceivers”) for end devices with a single channel and thus with an external interface and not for Ethernet switches, i.e. coupling devices with multi-channel transceiver units for high data transmission rates of, for example, 1 GBit/s and, however, smaller maximum lengths of the lines of, for example, 100 m. A channel of the transceiver unit provides a port, ie an external interface.
Um die Funktionalität derartiger, das heißt oben beschriebener Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten im Rahmen eines Ethernet-Switches bereitzustellen, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Beispielsweise kommt hierbei ein Schnittstellenwandler in Form einer programmierbaren logischen Schaltung eines integrierten Schaltkreises („Field Programmable Gate Array (FPGA)“) zum Einsatz, um eine Anpassung an den Übertragungsstandard zu erreichen. Die Verwendung einer programmierbaren logischen Schaltung, das heißt eines FPGA-Bausteins resultiert allerdings in einem hohen Entwicklungsaufwand und verursacht zudem hohe Herstell- und Produktkosten.Additional measures are necessary in order to provide the functionality of such, that is to say the above-described, single-channel transceiver units within the framework of an Ethernet switch. For example, an interface converter in the form of a programmable logic circuit of an integrated circuit (“Field Programmable Gate Array (FPGA)”) is used in order to adapt to the transmission standard. However, the use of a programmable logic circuit, that is to say an FPGA module, results in a high level of development effort and also causes high manufacturing and product costs.
Ferner sind halbleiterbasierte Steuermodule für Ethernet-Switches bekannt, welche eine direkte Anbindung an entsprechende Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten ermöglichen, jedoch eine sehr geringe Anzahl an Kanälen, das heißt Ports und somit externen Schnittstellen bieten. Üblich sind hier 5 Kanäle/Ports.Furthermore, semiconductor-based control modules for Ethernet switches are known which enable a direct connection to corresponding single-channel transceiver units, but which offer a very small number of channels, ie ports and thus external interfaces. 5 channels/ports are usual here.
Um die Anzahl an Kanälen und somit zur Verfügung stehenden Ports zu erhöhen, können mehrere Steuermodule entsprechend kaskadiert werden. Jedoch findet die Kaskadierung, das heißt die Kaskadiertiefe ihre Grenzen in zunehmenden Latenzzeiten bei der Übertragung von Daten, das heißt von Ethernet-Signalen, was sich wiederum nachteilig auf die Zuverlässigkeit der Übertragung der Daten auswirkt.In order to increase the number of channels and therefore available ports, several control modules can be cascaded accordingly. However, the cascading, that is, the Kaska, takes place This is limited by increasing latency times in the transmission of data, ie Ethernet signals, which in turn has an adverse effect on the reliability of data transmission.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Netzwerk-Kopplungseinrichtung, vorzugsweise einen Fast-Ethernet-Switch oder einen Gigabit-Ethernet-Switch, bereitzustellen oder weiterzubilden, welche/r konfiguriert ist, zumindest die Funktionalität zumindest einer Einkanal-Sende-Empfangseinheit nach dem IEEE Std 802.3cg™-2019-Datenübertragungsstandard, auf einfache Weise darzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide or develop a network coupling device, preferably a Fast Ethernet switch or a Gigabit Ethernet switch, which is configured to have at least the functionality of at least one single-channel transceiver unit the IEEE Std 802.3cg™-2019 data transmission standard, in a simple way.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The object is solved by the features of
Die Erfindung betrifft nach einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt eine Netzwerk-Kopplungseinrichtung, vorzugsweise Ethernet-Switch, zur Anbindung zumindest eines Geräts, vorzugsweise Endgeräts, an ein Netzwerk, vorzugsweise Ethernet-Netzwerk, über eine elektrische Leitung, mit zumindest einer Anschluss-Einheit zur Verbindung des zumindest einen Geräts mit der Netzwerk-Kopplungseinrichtung über die elektrische Leitung, und zumindest einer Sende-Empfangs-Einheit, wobei die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit der zumindest einen Anschluss-Einheit zugeordnet ist und zum Ein- und/oder Auskoppeln zumindest eines Signals in die Leitung und/oder aus der Leitung konfiguriert ist, und mit einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, das zumindest eine Signal über die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit und die zumindest eine Anschluss-Einheit an das Gerät zu leiten und/oder von dem Gerät zu empfangen, wobei die Netzwerk-Kopplungseinrichtung zumindest ein Wandlungsmodul umfasst, wobei das zumindest eine Wandlungsmodul zwischen der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit und der Steuereinheit angeordnet ist und konfiguriert ist, das zumindest eine Signal zur Übertragung zwischen der Steuereinheit und der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit zu wandeln.According to a first general aspect, the invention relates to a network coupling device, preferably an Ethernet switch, for connecting at least one device, preferably a terminal device, to a network, preferably an Ethernet network, via an electrical line, with at least one connection unit for connecting the at least one device with the network coupling device via the electrical line, and at least one transceiver unit, wherein the at least one transceiver unit is assigned to the at least one connection unit and for coupling and/or decoupling at least one signal is configured into the line and/or out of the line, and with a control unit, wherein the control unit is configured to route the at least one signal via the at least one transceiver unit and the at least one connection unit to the device and/ or to be received by the device, wherein the network coupling device comprises at least one conversion module asst, wherein the at least one conversion module is arranged between the at least one transceiver unit and the control unit and is configured to convert the at least one signal for transmission between the control unit and the at least one transceiver unit.
Dadurch kann beispielsweis eine Netzwerk-Kopplungseinrichtung bereitgestellt werden, die als Ethernet-Gigabit Switch ausgebildet ist und über zumindest einen Einkanaligen-Transceiver verfügt, welcher zur Anbindung von Endgeräten, welche vergleichsweise geringe Datenübertragungsraten erfordern, über eine Zweidrahtleitung ausgebildet ist.As a result, a network coupling device can be provided, for example, which is designed as an Ethernet gigabit switch and has at least one single-channel transceiver, which is designed to connect terminal devices that require comparatively low data transmission rates via a two-wire line.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ein Steuereinheit-Schnittstellenelement und die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit ein Sende-Empfangs-Einheit-Schnittstellenelement aufweist, und die Steuereinheit mit dem zumindest einen Wandlungsmodul über das Steuereinheit-Schnittstellenelement und die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit mit dem zumindest einen Wandlungsmodul über das Sende-Empfangs-Einheit-Schnittstellenelement gekoppelt ist.According to a further aspect of the invention, it can be provided that the control unit has a control unit interface element and the at least one transceiver unit has a transceiver unit interface element, and the control unit with the at least one conversion module via the control unit interface element and the at least one transceiver is coupled to the at least one conversion module via the transceiver interface element.
Durch das zumindest eine Wandlungsmodul ist es möglich, moderne Netzwerk-Kopplungseinrichtungen, das heißt Switches mit Gigabit-Ethernet-fähigen Schnittstellen zusammen mit verfügbaren T1L-Sende-Empfangseinheiten, das heißt T1L-(PHY)-Transceivern zusammen zu betreiben.The at least one conversion module makes it possible to operate modern network coupling devices, ie switches with Gigabit Ethernet-capable interfaces, together with available T1L transceiver units, ie T1L (PHY) transceivers.
Es ist möglich, dass das Steuereinheit-Schnittstellenelement als SGMII-Schnittstelle (Serial Gigabit Media-Independent Interface-(SGMII)-Schnittstelle) oder als QSGMII-Schnittstelle (Quad Serial Gigabit Media-Independent Interface-(QSGMII)-Schnittstelle) ausgebildet ist, oder eine SGMII-Schnittstellenfunktionalität und/oder eine QSGMII-Schnittstellenfunktionalität umfasst.It is possible for the control unit interface element to be designed as an SGMII interface (Serial Gigabit Media-Independent Interface (SGMII) interface) or as a QSGMII interface (Quad Serial Gigabit Media-Independent Interface (QSGMII) interface), or comprises SGMII interface functionality and/or QSGMII interface functionality.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sende-Empfangs-Einheit-Schnittstellenelement als RMII-Schnittstelle (Reduced Media-Independent Interface-(RMII)-Schnittstelle) ausgebildet ist und/oder eine RMII-Schnittstellenfunktionalität umfasst.According to a further aspect of the invention, it can be provided that the transceiver unit interface element is in the form of an RMII interface (Reduced Media-Independent Interface (RMII) interface) and/or comprises an RMII interface functionality.
Es ist alternativ möglich, dass das zumindest eine Wandlungsmodul ein erstes Schnittstellenelement zur Koppelung mit der Steuereinheit und ein zweites Schnittstellenelement zur Koppelung mit der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit aufweist, wobei das erste Schnittstellenelement als SGMII-Schnittstelle oder als QSGMII-Schnittstelle ausgebildet ist, oder eine SGMII-Schnittstellenfunktionalität oder eine QSGMII-Schnittstellenfunktionalität umfasst; und/oder wobei das zweite Schnittstellenelement als RMII-Schnittstelle ausgebildet ist oder eine RMII-Schnittstellenfunktionalität umfasst.It is alternatively possible for the at least one conversion module to have a first interface element for coupling to the control unit and a second interface element for coupling to the at least one transceiver unit, with the first interface element being designed as an SGMII interface or as a QSGMII interface , or comprises SGMII interface functionality or QSGMII interface functionality; and/or wherein the second interface element is in the form of an RMII interface or comprises an RMII interface functionality.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit nach dem Fast-Ethernet-Datenübertragungsstandard oder vorzugsweise nach dem Gigabit-Ethernet-Datenübertragungsstandard konfiguriert und/oder ausgebildet ist.According to a further aspect of the invention, it can be provided that the control unit is configured and/or designed according to the Fast Ethernet data transmission standard or preferably according to the Gigabit Ethernet data transmission standard.
Es ist möglich, dass die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit als Ethernet-Physical-Layer-(PHY)-Transceiver ausgebildet und/oder konfiguriert ist; und/oder nach dem Ethernet-Datenübertragungsstandard IEEE Std 802.3cg™-2019 (10BASE T1L) konfiguriert und/oder spezifiziert ist und für das Ein- und/oder Auskoppeln des zumindest einen Signals vorzugsweise eine Datenübertragungsrate zumindest bis 10Mbits/s bereitstellt.It is possible for the at least one transceiver unit to be embodied and/or configured as an Ethernet Physical Layer (PHY) transceiver; and/or according to the Ethernet data transmission standard IEEE Std 802.3cg™-2019 (10BASE T1L) is configured and/or specified and preferably provides a data transmission rate of at least up to 10 Mbits/s for coupling and/or decoupling the at least one signal.
Es ist möglich, dass die zumindest eine Anschluss-Einheit als Port, vorzugsweise als RJ-45-Anschlussbuchse, ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die zumindest eine Anschluss-Einheit als Anschlussbuchse nach einer anderen Spezifikation und/oder Norm ausgebildet ist.It is possible for the at least one connection unit to be designed as a port, preferably as an RJ-45 connection socket. Alternatively, it is also possible for the at least one connection unit to be in the form of a connection socket according to a different specification and/or standard.
Es ist möglich, dass die Netzwerk-Kopplungseinrichtung zusätzlich zumindest eine Anschluss-Einheit umfasst, welche als Small Form-factor Pluggable-(SFP)-Port ausgebildet ist.It is possible for the network coupling device to additionally include at least one connection unit, which is designed as a small form factor pluggable (SFP) port.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Wandlungsmodul ausgebildet und/oder konfiguriert ist, die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit mit einem Takt von im Wesentlichen 50 MHz und/oder mit zumindest 50 MHz zu versorgen und/oder zu betreiben, vorzugsweise wenn das Sende-Empfangs-Einheit-Schnittstellenelement als RMII-Schnittstelle (Reduced Media-Independent Interface-(RMII)-Schnittstelle) ausgebildet ist und/oder eine RMII-Schnittstellenfunktionalität umfasst.According to a further aspect of the present invention, it can be provided that the at least one conversion module is designed and/or configured to supply the at least one transceiver unit with a clock of essentially 50 MHz and/or with at least 50 MHz and/or or to operate, preferably when the transceiver unit interface element is designed as an RMII interface (Reduced Media-Independent Interface (RMII) interface) and/or comprises an RMII interface functionality.
Eine externe Taktversorgung über einen Quarz wird somit beispielsweise entbehrlich. Dadurch können zusätzliche Komponenten oder Elemente der Netzwerk-Kopplungseinrichtung eingespart werden.An external clock supply via a quartz, for example, is therefore no longer necessary. As a result, additional components or elements of the network coupling device can be saved.
Die Erfindung betrifft nach einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt ein Netzwerk mit zumindest einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung wie hierin offenbart.According to a second general aspect, the invention relates to a network with at least one network coupling device as disclosed herein.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere oder andere Einzelheiten und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.The exemplary embodiments and features of the present invention described above can be combined with one another as desired. Further or other details and advantageous effects of the invention are explained in more detail below with reference to the attached figures.
Es zeigen:
-
1 einen schematischen Aufbau eines ersten Beispiels einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
2 einen schematischen Aufbau eines zweiten Beispiels einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
3 einen schematischen Aufbau eines dritten Beispiels einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
4 einen schematischen Aufbau eines Beispiels einer Netzwerk-Kopplungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic structure of a first example of a network coupling device according to the prior art; -
2 a schematic structure of a second example of a network coupling device according to the prior art; -
3 a schematic structure of a third example of a network coupling device according to the prior art; -
4 a schematic structure of an example of a network coupling device according to the present invention.
Gleiche oder funktional äquivalente Komponenten oder Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Zu deren Erläuterung wird teilweise auch auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele und/oder Figuren verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.Identical or functionally equivalent components or elements are identified in the figures with the same reference symbols. For their explanation, reference is also made in part to the description of other exemplary embodiments and/or figures in order to avoid repetition.
Die folgende detaillierte Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dient zur näheren Veranschaulichung oder Verdeutlichung und soll den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken.The following detailed description of the exemplary embodiments illustrated in the figures serves for the purpose of further illustration or clarification and is not intended to limit the scope of the present invention in any way.
Die
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 ist als Ethernet-Switch ausgebildet und beispielsweise nach dem Datenübertragungsstandard IEEE 802.3ab™ (1000BASE-T) als Gigabit-Ethernet-Switch spezifiziert, bei welchem für die Übertragung von Daten vier Adernpaare und somit 8 Adern der Twisted-Pair-Kupferkabel verwendet werden. Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 teilt bei Anbindung an ein Ethernet-Netzwerk das Ethernet-Netzwerk in zwei Segmente auf.The
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 in
Jede der Sende-Empfangs-Einheiten T1 und T2 weist jeweils 8 Kanäle auf, sodass die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 über insgesamt 16 Anschluss-Einheiten, das heißt (Gigabit-) Ports P1 bis P16 in Form von RJ45-Anschlussbuchsen verfügt.Each of the transceiver units T1 and T2 has 8 channels, so that the
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 ist auch hier als Ethernet-Switch ausgebildet und gemäß dem Datenübertragungsstandard IEEE 802.3cg™-2019 (10BASE-T1L) spezifiziert oder mit diesem konform.The
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 ist durch eine Kaskadierung gekennzeichnet, wonach eine erste Steuereinheit SE1 und eine zweite Steuereinheit SE2 über eine Anschluss-Einheit (Uplink-Port) miteinander verbunden sind (in
Jede der Steuereinheiten SE1 und SE2 verfügt über jeweils 4 Kanäle zur Anbindung von jeweils 4 Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten T1 bis T4 und T5 bis T8. Die Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten T1 bis T4 und T5 bis T8 sind wiederum mit entsprechenden Anschluss-Einheiten (beispielsweise Ports/RJ45-Anschlussbuchsen) P1 bis P4 und P5 bis P8 verbunden.Each of the control units SE1 and SE2 has 4 channels each for connecting 4 single-channel transceiver units T1 to T4 and T5 to T8. The single-channel transceiver units T1 to T4 and T5 to T8 are in turn connected to corresponding connection units (for example ports/RJ45 sockets) P1 to P4 and P5 to P8.
Das in
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise nach dem Ethernet-Standard für drahtgebundene Netzwerke N zur Übertragung von Daten in Form von elektrischen Signalen, das heißt elektrischen Impulsen konfiguriert. Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 stellt einen Ethernet-Switch dar, welcher an industrielle Umgebungsbedingungen der Fertigungs- und Prozessindustrie angepasst ist und die Möglichkeit bietet, eine Vielzahl von Endgeräten 2 mit geringeren Anforderungen hinsichtlich Datenmenge und/oder Datenübertragungsrate an das Netzwerk N anzubinden, was nachfolgend noch näher beschrieben wird.The
In
Das Endgerät 2 ist über eine Leitung L mit der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 verbunden. Die Leitung L ist eine drahtgebundene elektrische Leitung L und vorzugsweise als einpaariges, das heißt ein Adernpaar aufweisendes Kabel auf Kupferbasis (Zweidrahtleitung) ausgebildet. Die Verbindung, das heißt eine Signalkommunikationsverbindung des Endgeräts 2 mit der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 erfolgt an der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 über die Anschluss-Einheit P1 der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1. In
Ferner umfasst die Netzwerk-Kopplungseinrichtung die Sende-Empfangs-Einheiten T1 bis T8 sowie T9 bis T16. Die dem Endgerät 2 zugeordnete Sende-Empfangs-Einheit T1 ist als so genannter Ethernet-Physical-Layer-(PHY)-Transceiver ausgebildet und nach dem Ethernet-Datenübertragungsstandard IEEE Std 802.3cg™-2019 (10BASE T1L) konfiguriert und/oder spezifiziert. Die Sende-Empfangs-Einheit T1 ist nach dem ISO/OSI-7-Schichtenmodell der Bitübertragungsschicht zugeordnet. Mit anderen Worten ist die Sende-Empfangs-Einheit T1 konfiguriert, zur Übertragung von Daten und somit Informationen zumindest ein Signal in Form eines elektrischen Impulses in die Leitung L einzukoppeln und an das Endgerät 2 zu senden. Ferner ist die Sende-Empfangs-Einheit T1 konfiguriert, zumindest ein Signal in Form eines elektrischen Impulses aus der Leitung L auszukoppeln und weiterzuleiten. Die Datenübertragungsrate liegt bei 10MBit/s. Das zumindest eine Signal kann vorzugsweise Bestandteil eines zu übertragenden Datenpakets sein.The network coupling device also includes the transceiver units T1 to T8 and T9 to T16. The transceiver unit T1 assigned to the
Die Sende-Empfangs-Einheit T1 ermöglicht eine Vollduplex-Datenübertragung über ein einziges Twisted-Pair-Adernpaar der elektrischen Leitung L wodurch vor allem kleinere Endgeräte, wie oben beispielhaft beschrieben, auf relativ einfache Art und Weise angebunden werden können und für welche die angegebene Datenübertragungsrate ausreichend ist.The transmitter/receiver unit T1 enables full-duplex data transmission via a single twisted pair of wires in the electrical line L, which means that smaller terminals in particular, as described above by way of example, can be connected in a relatively simple manner and for which the specified data transmission rate is sufficient.
Die Sende-Empfangs-Einheit T1 umfasst entsprechende Komponenten, Elemente und Funktionen (beispielsweise Ethernet-PHY-Kern, Ein- und Ausgangstaktpufferung, Steuerregister, Subsystemregister, Schaltung zur Überwachung der Spannungsversorgung, MAC-Schnittstelle, Steuerlogik, etc.), auf welche hierin nicht näher eingegangen wird.The transceiver unit T1 includes corresponding components, elements and functions (e.g. Ethernet PHY core, input and output clock buffering, control registers, subsystem registers, circuitry for monitoring the power supply, MAC interface, control logic, etc.), which are referred to herein is not dealt with in detail.
Analog der Konfiguration der Sende-Empfangs-Einheit T1 sind auch die weiteren Sende-Empfangs-Einheiten T2 bis T8 und T9 bis T16 konfiguriert.The other transceiver units T2 to T8 and T9 to T16 are also configured analogously to the configuration of the transceiver unit T1.
Bei der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Sende-Empfangs-Einheiten T1 bis T8 und T9 bis T16 als Einkanal-Sende-Empfangs-Einheiten jeweils einer Anschluss-Einheit P1 bis P16, das heißt jeweils einem Port P1 bis P16 zugeordnet.In the
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinheit SE. Die Steuereinheit SE ist konfiguriert, das zumindest eine Signal über die zumindest eine Sende-Empfangs-Einheit T1 bis T16 und die jeweils zugeordnete, zumindest eine Anschluss-Einheit P1 bis P16 an das Gerät 2 zu leiten und/oder von dem Gerät 2 zu empfangen. Die Steuereinheit SE ist konfiguriert, das zumindest eine Signal und vorzugsweise das dahinterstehende Ethernet-Datenpaket gemäß einem entsprechenden Takt zu übertragen.The
Die Steuereinheit SE der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 ist vorzugsweise nach dem Fast-Ethernet oder besonders bevorzugt nach dem Gigabit-Ethernet-Datenübertragungsstandard spezifiziert und/oder konfiguriert und demnach für Datenübertragungsraten von 100MBit/s oder 1GBit/s ausgebildet.The control unit SE of the
Die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 umfasst zumindest 4 Wandlungsmodule SM1 bis SM4. Die jeweiligen Wandlungsmodule SM1 bis SM4 sind einerseits mit den jeweiligen Sende-Empfangs-Einheiten T1 bis T16 verbunden sowie andererseits mit der Steuereinheit SE der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1. Die Steuereinheit SE umfasst hierzu ein Steuereinheit-Schnittstellenelement SES oder ist mit einem Steuereinheit-Schnittstellenelement SES der Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 verbunden. Das Steuereinheit-Schnittstellenelement SES ist zur Anbindung der zumindest 4 Wandlungsmodule SM1 bis SM4 konfiguriert. Die Wandlungsmodule SM1 bis SM4 sind vorzugsweise jeweils als weiterer, halbleiterbasierter Switch-Baustein ausgebildet und über jeweils einen Uplink-Port (in
Im Falle des Endgeräts 2, welches über die Leitung L und die Anschluss-Einheit P1 an die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 angebunden ist, sorgt das Wandlungsmodul SM1 dafür und/oder ist das Wandlungsmodul SM1 konfiguriert, das zumindest eine Signal zur Übertragung von der Steuereinheit SE an die Sende-Empfangs-Einheit T1 zu wandeln, sodass eine Übertragung von Daten über die Netzwerk-Kopplungseinrichtung 1 ermöglicht wird.In the case of the
Die Sende-Empfangs-Einheit T1 ist somit über das Wandlungsmodul SM1 mit der Steuereinheit SE gekoppelt.The transceiver unit T1 is thus coupled to the control unit SE via the conversion module SM1.
Das Steuereinheit-Schnittstellenelement SES ist vorzugsweise als Serial Gigabit Media-Independent Interface-(SGMII)-Schnittstelle oder als Quad Serial Gigabit Media-Independent Interface-(QSGMII)-Schnittstelle ausgebildet, oder umfasst eine SGMII-Schnittstellenfunktionalität oder eine QSGMII-Schnittstellenfunktionalität. Das Sende-Empfangs-Einheit-Schnittstellenelement T1S ist als Reduced Media-Independent Interface-(RMII)-Schnittstelle ausgebildet ist und/oder umfasst eine RMII-Schnittstelle.The control unit interface element SES is preferably designed as a Serial Gigabit Media-Independent Interface (SGMII) interface or as a Quad Serial Gigabit Media-Independent Interface (QSGMII) interface, or includes an SGMII interface functionality or a QSGMII interface functionality. The transceiver unit interface element T1S is designed as a Reduced Media Independent Interface (RMII) interface and/or includes an RMII interface.
Das Wandlungsmodul SM1 kann ferner ausgebildet und/oder konfiguriert sein, die jeweilige Sende-Empfangs-Einheit T1 bis T16 mit einem Takt von im Wesentlichen 50 MHz und/oder von zumindest 50 MHz zu versorgen und/oder zu betreiben. Mit anderen Worten kann an der jeweiligen Sende-Empfangs-Einheit T1 bis T16 ein Signalausgang mit entsprechender Frequenz angelegt werden.The conversion module SM1 can also be designed and/or configured to supply and/or operate the respective transceiver unit T1 to T16 with a clock rate of essentially 50 MHz and/or at least 50 MHz. In other words, a signal output with a corresponding frequency can be applied to the respective transceiver unit T1 to T16.
Es ist alternativ auch möglich, dass das Wandlungsmodul SM1 ein erstes Schnittstellenelement zur Koppelung mit der zumindest einen Sende-Empfangs-Einheit T1 und ein zweites Schnittstellenelement zur Koppelung mit der Steuereinheit SE aufweist, wobei das erste Schnittstellenelement als SGMII-Schnittstelle oder als QSGMII-Schnittstelle ausgebildet ist, oder eine SGMII-Schnittstelle oder eine QSGMII-Schnittstelle umfasst. Ferner ist es möglich, dass das zweite Schnittstellenelement des Wandlungsmoduls SM2 eine RMII-Schnittstelle ausgebildet ist oder eine RMII-Schnittstelle umfasst.Alternatively, it is also possible for the conversion module SM1 to have a first interface element for coupling to the at least one transceiver unit T1 and a second interface element for coupling to the control unit SE, with the first interface element as an SGMII interface or as a QSGMII interface is formed, or comprises an SGMII interface or a QSGMII interface. It is also possible for the second interface element of the conversion module SM2 to be in the form of an RMII interface or to include an RMII interface.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Vorzugsweise beansprucht die vorliegende Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.The present invention is not limited to the embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the idea of the invention and therefore fall within the scope of protection. Preferably, the present invention also claims protection for the subject-matter and features of the subclaims independently of the claims referred to.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Netzwerk-Kopplungseinrichtung (Switch)Network coupling device (switch)
- 22
- Gerät/Endgerätdevice/end device
- NN
- Netzwerknetwork
- LS1, LS2LS1, LS2
- programmierbare logische Schaltung (FPGA)programmable logic circuit (FPGA)
- P1, ..., P16P1, ..., P16
- Anschluss-Einheit (Port)Connection Unit (Port)
- SE, SE1, SE2SE, SE1, SE2
- Steuereinheitcontrol unit
- SESSES
- Steuereinheit-SchnittstellenelementControl unit interface element
- SM1, ..., SM4SM1, ..., SM4
- Wandlungsmodulconversion module
- T1, ..., T16T1, ..., T16
- Sende-Empfangs-Einheit (PHY-Transceiver)Transceiver unit (PHY transceiver)
- T1ST1S
- Sende-Empfangs-Einheit-SchnittstellenelementTransceiver Unit Interface Element
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021122380.6A DE102021122380A1 (en) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | Network coupling device for a network and network with a network coupling device |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102021122380.6A DE102021122380A1 (en) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | Network coupling device for a network and network with a network coupling device |
Publications (1)
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DE102021122380A1 true DE102021122380A1 (en) | 2023-03-02 |
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ID=85175539
Family Applications (1)
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DE102021122380.6A Pending DE102021122380A1 (en) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | Network coupling device for a network and network with a network coupling device |
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DE (1) | DE102021122380A1 (en) |
-
2021
- 2021-08-30 DE DE102021122380.6A patent/DE102021122380A1/en active Pending
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