DE102022122048A1 - Ethernet-Frame, Ethernet-basiertes Netzwerk und Verfahren zur Datenkommunikation in einem auf Ethernet basierenden Netzwerk - Google Patents

Ethernet-Frame, Ethernet-basiertes Netzwerk und Verfahren zur Datenkommunikation in einem auf Ethernet basierenden Netzwerk Download PDF

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Abstract

Ethernet-Frame zur Datenkommunikation in einem Netzwerk mit einem Kontrollgerät (1) und mehreren mit dem Kontrollgerät (1) verbundenen Endgeräten (11-14), das Ethernet-Frame (EF) umfassend: einen Ethernet-Frame-Header (EFH) und ein Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD); mehrere im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthaltene Geräte-Frames (DF11 - DF14), die einem oder mehreren der Endgeräte (11-14) zugeordnet sind; wobei die Geräte-Frames (DF11 - DF14) jeweils ein Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) mit zu verarbeitenden Nutzdaten und einen Geräte-Frame-Header (DFH) mit einem Ziel-Identifikationsfeld DestinationID) zur Identifizierung eines Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) aufweisen; und ein Zwischenlevel-Frame (LF), das im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthalten ist, vorzugsweise das Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) bildet; wobei das Zwischenlevel-Frame (LF) ein Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) mit den mehreren Geräte-Frames (DF11 - DF14) und einen für die Geräte-Frames (DF11 - DF14) gemeinsamen Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) mit einem Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zur Identifizierung eines Senders des Ethernet-Frames (EF) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine auf Ethernet basierende Datenkommunikation, die insbesondere für die Datenkommunikation auf Feldebene geeignet ist.
  • Mit der Einführung der Single Pair Ethernet-Standards (SPE) 10BASE- T1S/L nach IEEE 802.3cg kann im Bereich der Fabrik- und Prozessautomation, der Gebäudeautomation und grundsätzlich auch in anderen Bereichen der Automation erstmals eine durchgängig auf Ethernet basierende Kommunikation bis in die Feldebene, d. h. bis zu den Sensoren und Aktoren, umgesetzt werden. Über die direkte Ethernet-basierte Anbindung an ein Kontrollgerät, beispielsweise eine SPS, hinaus kann damit auch die Kommunikation eines Sensors oder Aktors direkt mit der Leitebene oder der Cloud verwirklicht werden.
  • In den höheren Ebenen der Automatisierungspyramide existieren bereits auf Ethernet basierende Protokolle (Industrial Ethernet), welche diese Art der Kommunikation in unterschiedlichen Bereichen vollumfänglich auf 10/100/1000BASE-T2/4 umsetzen. Allerdings sind die bekannten Lösungen für spezielle Anwendungsfelder definiert und im Verlaufe der Zeit in Ihren Möglichkeiten gewachsen. Beispielhaft seien die Protokolle PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT, POWERLINK, OPC-UA und Modbus-TCP genannt. Mit den Möglichkeiten sind auch die Anforderungen an die Hardware der zum Netzwerk gehörenden Geräte gewachsen, wie etwa die Anforderungen an die CPU, die Größe der Datenspeicher und an die Echtzeitfähigkeit. Dies erschwert und verhindert bisher den Einsatz der vorhandenen Technologien im Bereich der „preissensitiven“ Sensorik.
  • Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Einsatzfähigkeit im Safety-Umfeld, in dem eine funktional sichere Kommunikation gewährleistet sein muss. Dazu werden die bekannten Protokolle im Sinne des ISO/OSI-Referenzmodells für den Bereich der funktionalen Sicherheit um eine zusätzliche Sicherheitskommunikationsschicht erweitert, wie etwa PROFISafe und FailSafe over EtherCAT (FSoE). Die jeweilige Safety-Erweiterung sieht das Protokoll als sogenannten Black-Channel. Die für den Einsatz im Bereich der funktionalen Sicherheit erweiterten Protokolle erfordern weitere Hardware. Beispielsweise ist bei PROFINET plus PROFISafe ein Sicherheitsmonitor erforderlich.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine auf dem Ethernet-Standard basierende Datenkommunikation mit Endgeräten, wie insbesondere Sensoren, Stellgliedern und anderen Aktoren, d. h. eine Kommunikation auf Feldebene bzw. bis in die Feldebene, zu ermöglichen.
  • Eine Aufgabe kann auch darin bestehen, ein Protokoll für eine Ethernet-basierte Datenkommunikation zu schaffen, das an die Hardware der Kommunikationsteilnehmer geringere Anforderungen als bekannte Protokolle stellt.
  • Wünschenswert sind ein Protokoll für eine Ethernet-basierte Datenkommunikation, ein Netzwerk mit Netzwerkkomponenten für die Ethernet-basierte Datenkommunikation und ein Verfahren zur Ethernet-basierten Datenkommunikation, die eine flexible Konfigurierung des Netzwerks ermöglichen.
  • Noch eine Aufgabe kann darin bestehen, die funktionale Sicherheit der Datenkommunikation in einem Ethernet-basierten Netzwerk, das einen oder mehrere als Black-Channel einzustufende Kommunikationskanäle aufweist, zu erhöhen.
  • Gegenstand der Erfindung sind ein Ethernet-Frame zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk, ein Ethernet-fähiges Netzwerk mit Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ethernet-Frames eingerichtet sind, und ein Verfahren zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ethernet-Frames. Das Netzwerk umfasst ein Kontrollgerät, mehrere mit dem Kontrollgerät verbundene Endgeräte und optional einen oder mehrere Verteiler, wie beispielsweise einen oder mehrere Switches und/oder Bridges und/oder Hubs. Die Erfindung ist hinsichtlich der Topologie des Netzwerks nicht beschränkt und kann mit Linienstrukturen, Sternstrukturen, Ringstrukturen und auch Mischformen unterschiedlicher Topologien zum Einsatz kommen. Das Netzwerk kann mehrere mit den Endgeräten und/oder untereinander verbundene Kontrollgeräte umfassen. Wenn nachfolgend nur von einem oder dem Kontrollgerät die Rede ist, gelten diese Ausführungen sinngemäß stets auch in Bezug auf jedes optional weitere Kontrollgerät des Netzwerks. Die Datenkommunikation im Netzwerk kann kabelgebunden und/oder drahtlos sein. Die Netzwerkkomponenten können alle über Kabel oder stattdessen nur drahtlos miteinander verbunden sein. Möglich sind auch Mischformen, in denen mehrere der Netzwerkkomponenten über Kabel und mehrere der Netzwerkkomponenten nur drahtlos kommunizieren.
  • Das Ethernet-Frame umfasst einen Ethernet-Frame-Header und ein Ethernet-Frame-Datenfeld für Nutzdaten. Der Ethernet-Frame-Header ist ein Ethernet-Standard-Header vorzugsweise nach IEEE 802.1q. Das Ethernet-Frame-Datenfeld enthält mehrere Geräte-Frames, die einem oder mehreren der Endgeräte zugeordnet sind. Die Geräte-Frames umfassen jeweils ein Geräte-Frame-Datenfeld mit zu verarbeitenden Nutzdaten und einen Geräte-Frame-Header, der insbesondere ein Ziel-Identifikationsfeld zur Identifizierung eines Adressaten des jeweiligen Geräte-Frame enthalten kann. Adressat des jeweiligen Geräte-Frame kann eines der Endgeräte oder das Kontrollgerät sein.
  • Die Zuordnung zwischen den Geräte-Frames und den Endgeräten kann bijektiv sein, so dass jedem der Geräte-Frames genau eines der Endgeräte und jedem dieser Endgeräte genau eines der Geräte-Frames zugeordnet ist. Die Zuordnung kann stattdessen auch derart sein, dass einem der Endgeräte mehrere oder auch alle der im Ethernet-Frame enthaltenen Geräte-Frames oder mehreren der Endgeräte jeweils mehrere der im Ethernet-Frame enthaltenen Geräte-Frames zugeordnet sind. Handelt es sich um ein vom Kontrollgerät gesendetes Ethernet-Frame, sind die Nutzdaten des jeweiligen Geräte-Frames Nutzdaten zur Verarbeitung durch das zugeordnete Endgerät. Sendet eines der Endgeräte das Ethernet-Frame, handelt es sich um Nutzdaten zur Verarbeitung durch das Kontrollgerät oder ein anderes oder mehrere andere der Endgeräte.
  • Bei den vom Kontrollgerät gesendeten Nutzdaten kann es sich beispielsweise um Daten zur Konfigurierung der Endgeräte (Konfigurationsdaten) oder um eine Anforderung an einen Sensor zum Senden von Messdaten oder eine Anweisung an einen Aktor zur Ausführung einer Stellbewegung handeln. Bei den von einem Endgerät gesendeten Nutzdaten kann es sich um Messdaten physikalischer und/oder chemischer Messgrößen, wie etwa Temperaturwerte und/oder Druckwerte und/oder Volumenstromwerte und/oder Füllstandswerte und/oder Positionsdaten und/oder Geschwindigkeitswerte und/oder pH-Werte und oder Werte für stoffliche Konzentrationen und dergleichen, handeln, um nur Beispiele zu nennen. Weitere Arten von Nutzdaten sind beispielsweise Ereignisdaten und Alarmdaten.
  • Das Ethernet-Frame umfasst ein Zwischenlevel-Frame, das im Ethernet-Frame-Datenfeld enthalten ist. Vorzugsweise enthält das Ethernet-Frame-Datenfeld genau ein Zwischenlevel-Frame. Insbesondere kann es aus dem Zwischenlevel-Frame bestehen. Das Zwischenlevel-Frame umfasst ein Zwischenlevel-Frame-Datenfeld mit den mehreren Geräte-Frames und einen für die Geräte-Frames gemeinsamen Zwischenlevel-Frame-Header. Die Geräte-Frames sind im Zwischenlevel-Frame unter dem gemeinsamen Zwischenlevel-Frame-Header zusammengefasst.
  • In vorteilhaften Ausführungen umfasst der Zwischenlevel-Frame-Header ein Quellen-Identifikationsfeld zur Identifizierung des Senders des Ethernet-Frames. Sender des jeweiligen Ethernet-Frames kann das Kontrollgerät oder eines der Endgeräte sein. Die Schaffung des Ziel-Identifikationsfelds im Header des jeweiligen Geräte-Frames und des Quellen-Identifikationsfelds im Header des Zwischenlevel-Frames ermöglicht eine Punkt-zu-Punkt (P2P) Kommunikation zwischen dem Kontrollgerät und den Endgeräten und auch von Endgeräten untereinander. Es müssen nur der Sender im Quellen-Identifikationsfeld des Zwischenlevel-Frame-Headers und der Adressat im Ziel-Identifikationsfeld des Geräte-Frame-Headers eindeutig von jeweils allen anderen kommunizierenden Geräten unterscheidbar identifiziert sein.
  • Sendet das Kontrollgerät ein Ethernet-Frame an mehrere Endgeräte, enthalten das Quellen-Identifikationsfeld des Zwischenlevel-Frame-Headers eine Identifikation in Form einer Bitfolge, die das Kontrollgerät identifiziert, und das Ziel-Identifikationsfeld im Header des jeweiligen Geräte-Frames eine Identifikation in Form einer Bitfolge, die das damit adressierte Endgerät identifiziert. Sendet eines der Endgeräte ein Ethernet-Frame, enthält das Quellen-Identifikationsfeld dieses Ethernet-Frames eine Identifikation in Form einer Bitfolge, die das sendende Endgerät identifiziert. Zugleich enthält das Ziel-Identifikationsfeld im Header des oder der Geräte-Frames, das oder die dem sendenden Endgerät zugeordnet ist oder sind, eine Bitfolge, die das Kontrollgerät oder ein anderes Endgerät als Adressaten des Ethernet-Frames identifiziert. Die Identifikation des Senders und des Adressaten kann eine CRC-Signatur eines das jeweilige Gerät eindeutig identifizierenden Parameters sein, beispielsweise der MAC-Adresse des jeweiligen Geräts. Das Generatorpolynom zur Erzeugung der jeweiligen CRC-Signatur wird vorteilhafterweise so gewählt, dass die CRC-Signaturen den Sender und den Adressaten im Netzwerk eindeutig identifizieren. Wird die CRC-Signatur auf der MAC-Adresse erzeugt, haben sich hierfür CRC-16-Signaturen bewährt.
  • Das Zwischenlevel-Frame ist somit richtungsabhängig und ermöglicht eine gerichtete Kommunikation zwischen dem Kontrollgerät und optional einem oder mehreren weiteren Kontrollgeräten und den Endgeräten, optional auch zwischen Kontrollgeräten untereinander und/oder Endgeräten untereinander. Das Adressfeld im Header des Ethernet-Frames, d.h. das allgemeine Ethernet-Adressfeld, kann auf Multicast gesetzt werden. Die Ethernet-Frames sind unter dieser Voraussetzung richtungsunabhängig. Vom Kontrollgerät oder einem der Endgeräte gesendete Ethernet-Frames gelangen dann zu allen anderen Geräten des Netzwerks. Verfügt das Netzwerk über einen oder mehrere Verteiler, die für eine Filterung der Ethernet-Frames eingerichtet sind, wie etwa einen oder mehrere für eine Filterung eingerichtete Switches, und ist eines oder sind mehrere der Endgeräte voll Ethernet-fähig, kann das jeweilige Endgerät in das Adressfeld im Header des Ethernet-Frames, anstelle eines Multicast, die MAC-Adresse des Kontrollgeräts schreiben, um ein gerichtetes Ethernet-Frame zu senden und dadurch das Netzwerk zu entlasten. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist jedoch, dass die Datenkommunikation innerhalb des Netzwerks unterhalb des Ethernet-Standards, allein auf der Ebene des Zwischenlevel-Frames und der Geräte-Frames stattfinden kann. Somit können auch Endgeräte in das Netzwerk eingebunden werden, die keinen Ethernet-Standardanschluss (RJ45 M12) aufweisen. Als Anschluss genügt beispielsweise eine einfache Schraubklemme. Insbesondere wird kein Speicherplatz für das sonst erforderliche TCP/IP Stack benötigt. Die Recheneinheit des jeweiligen Endgeräts kann im Vergleich zu einem selbstständig Ethernet-fähigen Endgerät vereinfacht und dadurch erheblich verbilligt werden.
  • Die Begriffe „Ethernet-fähig“ und „Ethernet-basiert“ bedeuten im Kontext der Erfindung, dass die Netzwerkkomponenten, wie insbesondere das jeweilige Kontrollgerät und das jeweilige Endgerät sowie ein oder mehrere optional vorhandene Verteiler des Netzwerks, das Ethernet-Frame empfangen, im Umfang des Zwischenlevel-Frames lesen, datentechnisch verarbeiten und ein Ethernet-Frame mit gerätespezifischen Steuerungsdaten und Nutzdaten im jeweiligen Geräte-Frame und Steuerungsdaten im Zwischenlevel-Frame-Header erzeugen und senden können. Das Netzwerk kann vorteilhafterweise ein oder mehrere Netzwerkkomponenten umfassen, die auch den Ethernet-Header verarbeiten und verändern können, beispielsweise das Kontrollgerät und/oder ein optional weiteres Kontrollgerät und/oder eines oder mehrere der Endgeräte; unerlässlich erforderlich ist dies jedoch nicht. Die Endgeräte können in vorteilhaften Ausführungen jedoch ein Multicast im Zieladressfeld (DestinationADD) und das EtherType-Feld des Ethernet-Frame-Headers lesen und entsprechend verarbeiten.
  • In vorteilhaften Ausführungen enthält der Zwischenlevel-Frame-Header ein Gruppen-Identifikationsfeld mit einer Gruppenidentifikation, die mehrere oder alle der im Zwischenlevel-Frame enthaltenen Geräte-Frames als Geräte-Frames einer zusammengehörenden Gruppe von Endgeräten identifiziert, so dass die Endgeräte durch Zuteilung jeweils einer bestimmten Gruppenidentifikation in unterschiedliche logische Gruppen von Endgeräten einteilbar sind. Das Kontrollgerät kann den Endgeräten unterschiedliche Gruppenidentifikationen zuweisen und die im Netzwerk befindlichen Endgeräte dadurch in logische Gruppen aufteilen. So können einem ersten Endgerät und einem zweiten Endgerät, optional einem oder mehreren weiteren Endgeräten, eine erste Gruppenidentifikation und einem dritten Endgerät und einem vierten Endgerät, optional einem oder mehreren weiteren Endgeräten, eine zweite Gruppenidentifikation zugeteilt werden. Nach der Zuteilung gehören das erste und das zweite Endgerät einer ersten logischen Gruppe von Geräten und das dritte und das vierte Endgerät einer zweiten logischen Gruppe von Geräten an. Zweckmäßigerweise teilt das Kontrollgerät den Endgeräten vor Aufnahme des zyklischen Betriebs, während der Einrichtung und Inbetriebnahme des Netzwerks, die jeweilige Gruppenidentifikation zu. Die Netzwerkkomponenten können auch dazu eingerichtet sein, die Gruppenidentifikationen zu ändern, indem das Kontrollgerät nach einer Phase zyklischen Betriebs ein Ethernet-Frame mit neuer Zuweisung sendet und danach den zyklischen Betrieb mit den neuen Zuteilungen wieder aufnimmt.
  • Enthält das Gruppen-Identifikationsfeld nur ein Bit, können im Netzwerk entsprechend nur zwei logische Gruppen gebildet werden. Bevorzugt ist das Gruppen-Identifikationsfeld mehrere Bits lang und belegt beispielsweise 1 Byte. Dies eröffnet die Möglichkeit drei oder mehr logische Gerätegruppen zu bilden und/oder ein Broadcast an alle Endgeräte des Netzwerks, ungeachtet der Gruppenzugehörigkeit zu richten. Das Gruppen-Identifikationsfeld kann somit anstelle einer bestimmten Gruppenidentifikation eine Bitfolge für ein Broadcast an alle mit dem Kontrollgerät verbundenen Endgeräte enthalten.
  • Die logischen Gruppen können disjunkt sein, die Endgeräte also jeweils nur einer einzigen von mehreren logischen Gruppen des Netzwerks angehören. In einer Weiterentwicklung kann eines oder können mehrere der Endgeräte aber auch für die Zuweisung mehrerer Gruppenidentifikationen eingerichtet sein. Das gleiche Endgerät kann dann unterschiedlichen Gerätegruppen angehören. So kann das erste Endgerät beispielsweise sowohl der ersten als auch der zweiten Gruppe zugeteilt werden, oder es können mit der gleichen Anzahl von Endgeräten mehr Gruppen gebildet werden. So können mit drei Endgeräten bereits zwei unterschiedliche Gruppen gebildet werden, indem eines der drei Endgeräte beiden Gruppen angehört, wenigstens eines der beiden anderen Endgeräte aber nur zu einer der zwei Gruppen gehört.
  • Die Fähigkeit eines oder mehrerer Endgeräte, zwei oder mehr Gruppenidentifikationen anzunehmen, ist vorteilhaft insbesondere in Netzwerken mit mehreren Kontrollgeräten. So können ein erstes Netzwerk der erfindungsgemäßen Art, das ein erstes Kontrollgerät umfasst, und ein zweites Netzwerk ebenfalls der erfindungsgemäßen Art, das ein zweites Kontrollgerät umfasst, miteinander verbunden werden, wobei ein oder mehrere Endgeräte oder alle Endgeräte des ersten Netzwerks jeweils auch zum zweiten Netzwerk gehören. Das jeweilige Endgerät, das beiden Netzwerken angehört, kann zusätzlich zu der einen oder den mehreren Gruppenidentifikationen, die es im ersten Netzwerk hat, zusätzlich eine oder mehrere Gruppenidentifikationen im zweiten Netzwerk haben. Ein solches Endgerät kann Ethernet-Frames vom ersten Kontrollgerät und Ethernet-Frames vom zweiten Kontrollgerät empfangen und datentechnisch verarbeiten, wenn das jeweilige Ethernet-Frame im Gruppen-Identifikationsfeld eine der dem betreffenden Endgerät zugewiesenen Gruppenidentifikationen ausweist.
  • Das Zwischenlevel-Frame und/oder das jeweilige Geräte-Frame kann oder können zur Erkennung und in diesem Sinne zur Absicherung gegen Fehler der Datenübertragung jeweils ein CRC-Prüffeld enthalten. So kann oder können das Zwischenlevel-Frame ein CRC-Prüffeld zur Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers und/oder das jeweilige Geräte-Frame ein CRC-Prüffeld zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers und/oder ein CRC-Prüffeld zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds enthalten. Anstelle eines CRC-Prüffelds zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers und eines hievon separaten CRC-Prüffelds zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds kann das jeweilige Geräte-Frame auch mit einem für seinen Header und sein Datenfeld gemeinsamen CRC-Prüffeld abgesichert werden. Enthält der Zwischenlevel-Frame-Header ein CRC-Prüffeld, wird der Prüfcode (Prüfsumme) dieses Prüffelds nur über den binären Daten des Zwischenlevel-Frame-Headers gebildet, beispielsweise durch Polynomdivision mit einem geeigneten Generatorpolynom. Ist das CRC-Prüffeld für den Geräte-Frame-Header vorhanden, wird der Prüfcode (Prüfsumme) dieses Prüffelds nur über den binären Daten des Geräte-Frame-Headers gebildet, beispielsweise durch Polynomdivision mit einem geeigneten Generatorpolynom. Enthält das Geräte-Frame-Datenfeld ein CRC-Prüffeld, wird der Prüfcode (Prüfsumme) dieses Prüffelds nur über den binären Daten des Geräte-Frame-Datenfelds gebildet, beispielsweise durch Polynomdivision mit einem geeigneten Generatorpolynom. Ist für den Header und das Datenfeld des jeweiligen Geräte-Frames ein gemeinsames CRC-Prüffeld vorgesehen, wird der Prüfcode (Prüfsumme) dieses Prüffelds nur über den binären Daten des Headers und die Daten des Datenfelds des jeweiligen Geräte-Frames gebildet, beispielsweise durch Polynomdivision mit einem geeigneten Generatorpolynom.
  • Das standardmäßige CRC-Prüffeld des Ethernet-Frames kann ebenfalls vorhanden sein, muss aber nicht benutzt werden. Grundsätzlich könnte das Prüffeld des Ethernet-Frames zur Absicherung verwendet werden. Im Sinne der Durchgängigkeit des Protokolls bis in die Feldebene, einschließlich von Sensoren und anderen Endgeräten aus dem NiedrigpreisBereich, ist eine Absicherung innerhalb des Zwischenlevel-Frames jedoch vorteilhaft, da die Datenfelder im Standard-Header des Ethernet-Frames bei der Bildung der jeweiligen Prüfsumme nicht berücksichtigt werden müssen. Im Vergleich zu einer Absicherung nur durch das Prüffeld des Ethernet-Frames erhöht die erfindungsgemäße Absicherung die Sicherheitsintegrität und kann das Sicherheits-Integritätslevel (SIL) steigern. Das Prüffeld des Ethernet-Frames wird in vorteilhaften Ausführungen zur Absicherung jedoch zusätzlich verwendet.
  • Vorteilhafterweise enthält das Zwischenlevel-Frame das Prüffeld für den Zwischenlevel-Frame-Header und zusätzlich für die Geräte-Frames jeweils das Prüffeld für den Geräte-Frame-Header. Besonders bevorzugt enthält das Zwischenlevel-Frame das CRC-Prüffeld für den Zwischenlevel-Frame-Header und zusätzlich für die Geräte-Frames jeweils das CRC-Prüffeld für den Geräte-Frame-Header und das CRC-Prüffeld für das Geräte-Frame-Datenfeld. Durch eine separate Absicherung von wenigstens zwei dieser Datenbereiche und insbesondere durch eine separate Absicherung aller drei Datenbereiche werden die Fehlererkennung vereinfacht und Datenübertragungsfehler mit erhöhter Sicherheit erkannt. Die Datenintegrität kann mit erhöhter Sicherheit gewährleistet werden. Ein als fehlerhaft erkanntes Ethernet-Frame kann bei Erkennung eines Fehlers erneut gesendet werden. Das Kontrollgerät und die Endgeräte arbeiten die CRC-Prüffelder zweckmäßigerweise sequentiell in einer vorgegebenen Reihenfolge ab. Weist das Ethernet-Frame beispielsweise das Prüffeld für den Zwischenlevel-Frame-Header und für die Geräte-Frames jeweils wenigstens das CRC-Prüffeld für den Geräte-Frame-Header auf, bildet das empfangende Gerät die Prüfsumme für den Zwischenlevel-Frame-Header und vergleicht diese Prüfsumme mit der im Prüffeld stehenden Prüfsumme. Nur wenn diese beiden Prüfsummen gleich sind, bildet das empfangende Gerät die Prüfsumme für den jeweils relevanten Geräte-Frame-Header und vergleicht diese Prüfsumme mit der im Prüffeld des gleichen Geräte-Frame-Headers stehenden Prüfsumme. Durch die separate Absicherung wird die Fehlererkennung daher auch beschleunigt.
  • Weist das Ethernet-Frame CRC-Prüffelder für unterschiedliche Datenbereiche auf, wie etwa für den Zwischenlevel-Frame-Header und den jeweiligen Geräte-Frame-Header, werden die binären Prüfsummen bzw. Prüfcodes vorteilhafterweise mit angepassten und deshalb typischerweise unterschiedlichen Generatorpolynomen, die sich auch in der Ordnung voneinander unterscheiden können, erzeugt.
  • Der Zwischenlevel-Frame-Header kann ein Ethernet-Frame-Modusfeld zur Identifizierung eines bestimmten Kommunikationsmodus aus mehreren wahlweise vorgebbaren unterschiedlichen Kommunikationsmodi enthalten. Das Ethernet-Frame-Modusfeld kann eine Bitfolge enthalten, die den Endgeräten mitteilt, dass das Netzwerk in einem Inbetriebnahme-Modus oder in einem Zyklusbetrieb-Modus oder in einem azyklischen Betriebsmodus ist. Im Inbetriebnahme-Modus können Zuweisungen, wie etwa die Einteilung der Netzwerkkomponenten in logische Gruppen und/oder die Zuweisung neuer, temporärer Geräteidentifikationen, vorgenommen werden. Im zyklischen Betriebsmodus (Zyklusbetrieb-Modus) wird die zyklische Datenkommunikation durchgeführt. So kann das Kontrollgerät in einem Zyklus von einem oder mehreren Sensoren Messdaten anfordern, die anschließend noch im gleichen Zyklus von dem oder den mehreren Sensoren zurückgesendet werden.
  • In vorteilhaften Ausführungen kann den Endgeräten im Inbetriebnahme-Modus durch entsprechenden Eintrag in das Gruppen-Identifikationsfeld jeweils eine Gruppenidentifikation zugewiesen werden, um das Netzwerk in logische Gruppen von Endgeräten zu unterteilen, wie vorstehend erläutert wird. Das Kontrollgerät kann auch dazu eingerichtet sein, die Gruppenidentifikationen und dadurch die Gruppierung der Endgeräte zu ändern.
  • Durch Eintrag einer entsprechenden Bitfolge im Ziel-Identifikationsfeld kann dem jeweiligen, so addressierten Endgerät im Inbetriebnahme-Modus eine Geräteidentifikation zugewiesen werden. Das Kontrollgerät kann dazu eingerichtet sein, die Geräteidentifikation des jeweiligen Endgeräts im Verlaufe des zyklischen Netzwerkbetriebs temporär durch eine neue, temporäre Geräteidentifikation zu ersetzen, indem das Kontrollgerät zurück in den Inbetriebnahme-Modus wechselt und eine neue Bitfolge für die temporäre Geräteidentifikation für das jeweilige Endgerät erzeugt und ein Ethernet-Frame mit den neuen, temporären Geräteidentifikationen sendet. Dieses Ethernet-Frame enthält im Ethernet-Frame-Modusfeld des Zwischenlevel-Frames die vom Kontrollgerät gesetzte Bitfolge für den Inbetriebnahme-Modus, im Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frames die Bitfolge für die bestehende Geräteidentifikation des jeweiligen Endgeräts und im jeweiligen Geräte-Frame-Datenfeld die Bitfolge für die neue Geräteidentifikation.
  • Die Endgeräte sind dafür eingerichtet, die jeweils eigene neue Geräteidentifikation zu lesen und in einem anschließenden Zyklusbetrieb-Modus als die neue Geräteidentifikation für die zyklische Kommunikation anstelle der bisherigen Geräteidentifikation zu übernehmen. Die Fähigkeit des Kontrollgeräts, temporäre Geräteidentifikationen zu erzeugen und die Fähigkeit der Endgeräte, die zugeordnete neue Geräteidentifikation anstelle der bisherigen zu übernehmen, ermöglicht eine flexible Abwehr von Abhörattacken und Hackerangriffen.
  • Der jeweilige Geräte-Frame-Header kann, wie bereits erläutert, ein Ziel-Identifikationsfeld mit einer Identifikation eines Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames, beispielsweise eine CRC-Signatur einer MAC-Adresse eines der Endgeräte oder des Kontrollgeräts, enthalten. Das jeweilige Geräte-Frame-Datenfeld enthält dann Nutzdaten für den im Ziel-Identifikationsfeld identifizierten Adressaten. Das Kontrollgerät kann dazu eingerichtet sein, die Geräteidentifikation des Adressaten in das Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frame-Headers zu schreiben, beispielsweise die Adresse des jeweils so adressierten Endgeräts oder eines anderen Kontrollgeräts. Die Endgeräte können dazu eingerichtet sein, die Geräteidentifikation des Adressaten in das Ziel-Identifikationsfeld des Geräte-Frame-Headers zu schreiben, beispielsweise die Adresse des Kontrollgeräts.
  • Das Ziel-Identifikationsfeld ist im Bitumfang vorteilhafterweise kleiner als die MAC-Adresse. Das Ziel-Identifikationsfeld kann beispielsweise aus weniger als vier Byte oder weniger als drei Byte bestehen, umfasst vorzugsweise aber wenigstens vier Bit oder wenigstens acht Bit bzw. ein Byte. Als zweckmäßig hat sich eine Feldgröße von zwei Byte erwiesen. Hinsichtlich der Feldgröße gelten die Ausführungen auch für das Quellen-Identifikationsfeld im Header des Zwischenlevel-Frames.
  • Das Ethernet-Netzwerk umfasst Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation in Form der Ethernet-Frames eingerichtet sind, wobei die Ethernet-Frames das Gruppen-Identifikationsfeld aufweisen. Zu den Netzwerkkomponenten eines erfindungsgemäßen Netzwerks gehören wenigstens ein Kontrollgerät und mehrere Endgeräte, wie etwa ein oder mehrere Sensoren und/oder Aktoren. Dabei umfasst das Netzwerk ein erstes, ein zweites ein drittes und ein viertes Endgerät, also wenigstens vier Endgeräte. Die Endgeräte sind jeweils mit dem Kontrollgerät verbunden. Das Netzwerk kann auch einen oder mehrere Verteiler, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Switches, umfassen. Umfasst das Netzwerk einen oder mehrere Verteiler, können die Endgeräte oder mehrere der Endgeräte über den einen oder die mehreren Verteiler mit dem Kontrollgerät verbunden sein.
  • Das Netzwerk kann in wenigstens zwei logische Gruppen von Endgeräten unterteilt sein. In derartigen Ausführungen ist dem ersten Endgerät und dem zweiten Endgerät eine erste Gruppenidentifikation zugeteilt, so dass sie einer ersten logischen Gruppe angehören. Diese beiden Endgeräte sind durch die Zuteilung der ersten Gruppenidentifikation dazu eingerichtet, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld die erste Gruppenidentifikation ausweist. Dem dritten Endgerät und dem vierten Endgerät ist eine zweite Gruppenidentifikation zugeteilt, so dass sie einer zweiten logischen Gruppe angehören. Durch die Zuteilung der zweiten Gruppenidentifikation sind das dritte Endgerät und das vierte Endgerät dazu eingerichtet, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld eine andere, zweite Gruppenidentifikation ausweist.
  • Die Endgeräte der ersten logischen Gruppe können dazu eingerichtet sein, die Nutzdaten der Geräte-Frames zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld des jeweiligen Ethernet-Frames eine ihnen vom Kontrollgerät zugewiesene Gruppenidentifikation, wie insbesondere die erste Gruppenidentifikation, ausgewiesen ist und nicht weiter zu beachten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld eine nicht zugewiesene Gruppenidentifikation, wie insbesondere die zweite Gruppenidentifikation, ausweist. Die Endgeräte der zweiten logischen Gruppe können dazu eingerichtet sein, die Nutzdaten der Geräte-Frames zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld des jeweiligen Ethernet-Frames eine ihnen vom Kontrollgerät zugewiesene Gruppenidentifikation, wie insbesondere die zweite Gruppenidentifikation, ausgewiesen ist und nicht weiter zu beachten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld eine nicht zugewiesene Gruppenidentifikation, wie insbesondere die erste Gruppenidentifikation, ausweist. Das jeweilige Endgerät ist dazu eingerichtet, das Gruppen-Identifikationsfeld zu lesen und zu erkennen, ob die darin enthaltene Bitfolge der ihm zugewiesenen Gruppenidentifikation entspricht oder das Ethernet-Frame als Broadcast ausweist, falls diese Option wie bereits erläutert vorgesehen ist. Ist dies der Fall, verarbeitet es das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das/die ihm durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind. Stimmt die Gruppenidentifikation mit der zugewiesenen nicht überein und handelt es sich auch nicht um einen Broadcast, falls diese Auswahlmöglichkeit vorgesehen ist, wird das jeweilige Ethernet-Frame nicht weiter beachtet.
  • Verfügen die Endgeräte über die Fähigkeit, bereits anhand der Gruppenidentifikation diejenigen Ethernet-Frames zu erkennen, die für das jeweilige Endgerät nicht bestimmt sind, was in bevorzugten Ausführungen des Netzwerks der Fall ist, können einfache Verteiler verwendet werden, da eine Filterung der Ethernet-Frames schon bei der Verteilung im Netzwerk nicht erforderlich ist. Verfügt das Netzwerk über einen oder mehrere Verteiler, wird das Netzwerk andererseits entlastet, wenn der eine oder die mehreren Verteiler dazu eingerichtet ist oder sind, das jeweilige Ethernet-Frame nur an die Endgeräte derjenigen logischen Gruppe weiterzuleiten, deren Gruppenidentifikation der im Gruppen-Identifikationsfeld ausgewiesenen Gruppenidentifikation entspricht. Hat das Kontrollgerät das Gruppen-Identifikationsfeld auf Broadcast gesetzt, falls diese Auswahlmöglichkeit implementiert ist, wird das als Broadcast gekennzeichnete Ethernet-Frame an alle Endgeräte des Netzwerks weitergeleitet. Der jeweils so eingerichtete Verteiler kann das Gruppen-Identifikationsfeld lesen und die Ethernet-Frames entsprechend filtern und nur zur angesprochenen Gerätegruppe weiterleiten. Die Fähigkeit der Unterscheidung und Filterung kann wie bevorzugt nur bei den Endgeräten oder aber nur bei dem oder den Verteilern oder bei beiden Arten von Netzwerkkomponenten verwirklicht sein.
  • Das Kontrollgerät ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in das Gruppen-Identifikationsfeld des Zwischenlevel-Frame-Headers des jeweiligen Ethernet-Frames wahlweise die erste Gruppenidentifikation oder die zweite Gruppenidentifikation oder die Bitfolge für einen Broadcast an alle Endgeräte des Netzwerks, falls diese Auswahlmöglichkeit gegeben ist, zu schreiben und dadurch im Zwischenlevel-Frame-Header des jeweiligen Ethernet-Frames die Gruppe der Endgeräte zu identifizieren, für das jeweilige Ethernet-Frame bestimmt ist.
  • Da die Gruppierung keine Modifikation der Hardware und Netzwerkverbindungen erfordert, sondern auf der logischen Ebene vorgenommen wird, kann eine Umgruppierung flexibel vorgenommen werden, indem das Kontrollgerät vorübergehend in den Inbetriebnahme-Modus wechselt und die Gruppenidentifikationen neu zuteilt.
  • Die durch das Gruppen-Identifikationsfeld erhaltene Fähigkeit der Gruppierbarkeit kann dazu genutzt werden, das Netzwerk in Netzwerkbereiche, d.h. in Gerätegruppen, unterschiedlicher funktionaler Sicherheit zu unterteilen. So kann Endgeräten, die jeweils die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen, eine erste Gruppenidentifikation zugeteilt werden und einem oder mehreren anderen Endgeräten, die jeweils die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nicht erfüllen, eine andere, zweite Gruppenidentifikation zugeteilt werden. Enthält eine logische Gruppe nur Endgeräte, die jeweils die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen, können die Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Kontrollgeräts zumindest für die Datenkommunikation mit und optional auch unter diesen Endgeräten gesenkt werden. Erfüllen alle Endgeräte des Netzwerks die Anforderungen der funktionellen Sicherheit oder besteht das Netzwerk aus einer oder mehreren logischen Gruppen jeweils nur derartiger Endgeräte und einer oder mehreren anderen logischen Gruppen, in der oder denen keine sicherheitsrelevanten Daten ausgetauscht werden müssen, muss auch kein Kontrollgerät verwendet werden, das als funktional sicher eingestuft ist. Dies senkt den Preis des Kontrollgeräts erheblich. Erfüllt das Kontrollgerät dennoch die Anforderungen der funktionalen Sicherheit, wird es aber zumindest in Bezug auf die Überprüfung der Datenintegrität entlastet, da die funktional sicheren Endgeräte die Datenintegrität mit erhöhter Sicherheit von sich aus gewährleisten und eine gleich hohe Datenintegrität in der oder den anderen logischen Gruppen nicht gefordert ist.
  • Der Geräte-Frame-Header des jeweiligen Geräte-Frames kann ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Safety-Wert enthalten, der dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält. Erfüllt eines oder erfüllen mehrere der Endgeräte, beispielsweise wenigstens das erste Endgerät, die Anforderungen der funktionalen Sicherheit, kann dieses oder können diese Endgeräte jeweils dazu eingerichtet sein, ein an das jeweilige Endgerät adressiertes Geräte-Frame nur dann zu verarbeiten, wenn der Safety-Wert des jeweiligen Geräte-Frames anzeigt, dass dieses Geräte-Frame für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält. Für den Safety-Wert kann beispielsweise nur ein Bit vorgesehen sein, so dass nur zwischen den Safety-Werten „1“ und „0“ unterschieden wird, wobei der eine Safety-Wert für „sicherheitsrelevant“ und der andere für „nicht sicherheitsrelevant“ steht. Mithilfe dieses Sicherheitsmerkmals kann die Datenkommunikation auch in logischen Gruppen beschleunigt werden, die ein oder mehrere funktional sichere Endgeräte, aber auch wenigstens ein funktional nicht sicheres Endgerät umfassen.
  • Das Kontrollgerät und die Endgeräte können jeweils eine Geräteidentifikation haben, die wie vorstehend erläutert beispielsweise eine CRC-Signatur einer MAC-Adresse des jeweiligen Endgeräts oder des Kontrollgeräts sein kann. Die Geräteidentifikation wird so gebildet, dass sie die betreffende Netzwerkkomponente im Netzwerk eindeutig identifiziert, also von den jeweils anderen Netzwerkkomponenten unterscheidet.
  • Enthält der jeweilige Geräte-Frame-Header zur Identifikation eines Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames ein Ziel-Identifikationsfeld, kann das Kontrollgerät und kann vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät dazu eingerichtet sein, diese Geräteidentifikation des Adressaten im Ziel-Identifikationsfeld zu lesen und/oder in das Ziel-Identifikationsfeld zu schreiben. Enthält der Zwischenlevel-Frame-Header ein Quellen-Identifikationsfeld zur Identifikation des Senders des jeweiligen Ethernet-Frames, kann das Kontrollgerät und kann vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät dazu eingerichtet sein, diese Geräteidentifikation des Senders im Quellen-Identifikationsfeld zu lesen und/oder die eigene Geräteidentifikation in das Quellen-Identifikationsfeld zu schreiben.
  • Enthält das Ethernet-Frame die Kombination aus Ziel-Identifikationsfeld und Quellen-Identifikationsfeld, ermöglicht dies auch eine Datenkommunikation von Endgeräten untereinander, ohne Einschaltung des Kontrollgeräts. So kann ein Endgerät, beispielsweise ein Aktor, direkt mit einem oder mehreren anderen Endgeräten kommunizieren, beispielsweise mit einem oder mehreren Sensoren, indem es ein Ethernet-Frame mit einem oder mehreren Geräte-Frames erzeugt und sendet, wobei dieses Ethernet-Frame die Geräteidentifikation des Senders im Quellen-Identifikationsfeld und die Geräteidentifikation des jeweiligen anderen Endgeräts im Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frames enthält. Zusätzlich kann das sendende Endgerät im Ethernet-Frame, beispielsweise im jeweiligen Geräte-Frame, eine Anforderung (Request) zum Antworten setzen. Das sendende Endgerät ist entsprechend dazu eingerichtet, die Anforderung zu setzen. Jedes direkt adressierte Endgerät empfängt und liest das Ethernet-Anforderungs-Frame des sendenden Endgeräts und erzeugt und sendet ein Ethernet-Frame als direkte Antwort, indem es in das Quellen-Identifikationsfeld des Ethernet-Antwort-Frames die eigene Geräteidentifikation und in das oder in die ihm zugeordneten Geräte-Frames des Ethernet-Antwort-Frames die Geräteidentifikation des Endgeräts, das die Anforderung gesendet hat, und seine Nutzdaten, beispielsweise Messdaten, schreibt.
  • Die Netzwerkkomponenten sind Feldgeräte, die auf Feldebene eingesetzt werden oder für den Feldeinsatz konzipiert und vorgesehen sind. Die Datenkommunikation mit dem erfindungsgemäßen Ethernet-Frame findet auf der Feldebene statt.
  • Das Kontrollgerät kann eine Steuerungseinrichtung oder ein Regler zur Steuerung und/oder Regelung einer oder mehrerer physikalischen und/oder chemischen Größen, wie etwa Temperatur und/oder Drucks und/oder Volumenstrom und/oder Füllstand und/oder Konzentration und/oder pH-Wert, sein. Das Kontrollgerät kann stattdessen auch ein reines Überwachungsgerät und/oder Protokolliergerät sein, das einen technischen Zustand oder Prozess überwacht und/oder protokolliert.
  • Das Netzwerk kann der Steuerung und/oder Regelung und/oder Überwachung eines verfahrenstechnischen Prozesses, beispielsweise in der Lebensmittelerzeugung oder - lagerung, wie etwa der Temperierung einer Anlage, oder in der Chemie oder in der Produktion generell, dienen. Das Netzwerk kann auch ein System zur Erfassung des Energieverbrauchs eines Gebäudes oder zur Steuerung oder Regelung der Temperatur(en) in einem Gebäude bilden oder Bestandteil eines solchen Systems sein.
  • Die Endgeräte können einen oder mehrere Sensoren, beispielsweise einen oder mehrere Temperatursensoren und/oder Drucksensoren und/oder Volumenstromsensoren und/oder pH-Sensoren, umfassen. Ein Geräte-Frame für einen Sensor kann eine Anforderung zum Senden eines Messwerts, beispielsweise einer Temperatur oder eines Drucks oder eines Volumenstroms oder einer Stoffkonzentration oder eines pH-Werts sein. Ein von einem Sensor gesendetes Ethernet-Frame kann in einem oder mehreren Geräte-Frames, die dem jeweiligen Sensor zugeordnet ist/sind, Nutzdaten in Form von Messdaten des betreffenden Sensors enthalten, beispielsweise Temperaturdaten oder Druckdaten oder Volumenstromdaten. Die Messdaten können dem Kontrollgerät zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Überwachung eines technischen Prozesses oder auch nur der Überwachung des Zustands eines technischen Systems gesendet werden.
  • Die Endgeräte können einen oder mehrere Aktoren, wie etwa einen oder mehrere Elektromotoren und/oder ein oder mehrere Ventile und/oder ein oder mehrere Temperiergeräte, umfassen. Ein Aktor kann ein Stellglied in einem Steuerungs- oder Regelungskreis sein. Das Kontrollgerät kann dem jeweiligen Aktor im zugeordneten Geräte-Frame beispielsweise ein Geschwindigkeitssignal und/oder ein Positionssignal und/oder ein Temperatursignal senden, um eine Geschwindigkeit und/oder eine Position und/oder eine Wärmeleistung des betreffenden Aktors einzustellen.
  • In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Datenkommunikation in einem Netzwerk ist ein Kontrollgerät kabelgebunden und/oder drahtlos mit mehreren Endgeräten verbunden, zweckmäßigerweise über einen oder mehrere Verteiler der genannten Art. Das Kontrollgerät und das jeweilige Endgerät sind für einen Datenaustausch auf der Basis des erläuterten Ethernet-Frames eingerichtet, wobei das Ethernet-Frame in vorteilhaften Ausführungen das Gruppen-Identifikationsfeld aufweist. Erfolgt die Verbindung über einen oder mehrere Verteiler, gilt dies bevorzugt auch für den jeweiligen Verteiler. Sind mit dem Kontrollgerät auch Endgeräte verbunden, die für eine Datenkommunikation mittels des Ethernet-Frames nicht eingerichtet sind, so zählen diese Endgeräte nicht zum Netzwerk.
  • In einem bevorzugten Verfahren werden die Endgeräte in eine erste logische Gruppe von Endgeräten und eine zweite logische Gruppe von Endgeräten gruppiert, indem den Endgeräten der ersten logischen Gruppe eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation und den Endgeräten der zweiten logischen Gruppe eine andere, gemeinsame zweite Gruppenidentifikation zugewiesen wird. Die Gruppenzuweisung nimmt vorzugsweise das Kontrollgerät vor. Ist die Gruppenzuweisung erfolgt, schreibt eine Netzwerkkomponente, nämlich ein Endgerät des Netzwerks oder insbesondere das Kontrollgerät, in einer Phase des Netzwerkbetriebs die erste Gruppenidentifikation in den Zwischenlevel-Frame-Header eines ersten Ethernet-Frames und sendet das erste Ethernet-Frame in einem ersten Zyklus der Kommunikation an wenigstens die Endgeräte der ersten Gruppe. Eine Netzwerkkomponente, nämlich das gleiche oder ein anderes Endgerät des Netzwerks oder insbesondere das Kontrollgerät, schreibt die zweite Gruppenidentifikation in den Zwischenlevel-Frame-Header eines zweiten Ethernet-Frames und sendet das zweite Ethernet-Frame in einem auf den ersten Zyklus folgenden zweiten Zyklus der Kommunikation an wenigstens die Endgeräte der zweiten Gruppe. Der zweite Zyklus kann unmittelbar oder erst nach einem oder mehreren anderen Zyklen auf den ersten Zyklus folgen. Der erste Zyklus und der zweite Zyklus laufen in dieser Reihenfolge in einer Betriebsphase ab, in der die beschriebene Gruppenzuweisung gilt, sind sonst aber zeitlich nicht bestimmt.
  • Die Endgeräte sind in einer ersten Verfahrensvariante, wie bereits zum Netzwerk erläutert, so eingerichtet, dass sie Nutzdaten der Geräte-Frames verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld des jeweiligen Ethernet-Frames die zugewiesene Gruppenidentifikation oder ein Broadcast ausgewiesen ist, falls die Möglichkeit implementiert ist, im Gruppen-Identifikationsfeld einen Broadcast zu setzen. Die Endgeräte sind in der ersten Verfahrensvariante ferner so eingerichtet, dass sie das jeweilige Ethernet-Frame nicht weiter beachten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld eine nicht zugewiesene Gruppenidentifikation ausweist. In der ersten Variante des Verfahrens können die Ethernet-Frames ungeachtet der im Gruppen-Identifikationsfeld gesetzten Gruppenidentifikation allen Endgeräten gesendet werden. Eine Filterung durch optionale Verteiler ist nicht erforderlich.
  • Im ersten Zyklus liest das jeweilige Endgerät der ersten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld des ersten Ethernet-Frames, erkennt die darin enthaltene Bitfolge als die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation und verarbeitet das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das oder die dem jeweiligen Endgerät durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind. Enthält das erste Ethernet-Frame eine Anforderung einer Antwort, beispielsweise die Anforderung von Messdaten oder anderen Nutzdaten, schreibt das jeweilige Endgerät der ersten logischen Gruppe die betreffenden Nutzdaten in das eine oder die mehreren ihm zugeordneten Geräte-Frames und sendet ein Ethernet-Frame mit seinen Nutzdaten als Antwort an das anfordernde Gerät - Kontrollgerät oder Endgerät - zurück. Der erste Zyklus der Kommunikation ist erst beendet, wenn alle Endgeräte der ersten logischen Gruppe, für die das erste Ethernet-Frame ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames mit einer Anforderung (Request) enthält, jeweils ein Ethernet-Frame als Antwort gesendet haben.
  • Die Endgeräte der zweiten logischen Gruppe erhalten das erste Ethernet-Frame im ersten Zyklus ebenfalls und lesen jeweils dessen Gruppen-Identifikationsfeld, erkennen aber die darin enthaltene Bitfolge als nicht zugewiesene Gruppenidentifikation und beachten das erste Ethernet-Frame daher nicht; eine Verarbeitung von Geräte-Frames des ersten Ethernet-Frames findet in der zweiten logischen Gruppe nicht statt. Die Endgeräte der zweiten Gruppe senden im ersten Zyklus auch kein Ethernet-Antwort-Frame; das Kontrollgerät erwartet von diesen Geräten keine Antwort.
  • Der zweite Zyklus läuft sinngemäß in gleicher Weise ab: Das jeweilige Endgerät der zweiten logischen Gruppe liest das Gruppen-Identifikationsfeld des zweiten Ethernet-Frames, erkennt die darin enthaltene Bitfolge als die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation und verarbeitet das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das oder die dem jeweiligen Endgerät durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind. Enthält das zweite Ethernet-Frame eine Anforderung zu einer Antwort, beispielsweise zum Senden von Messdaten oder anderen Nutzdaten, schreibt das jeweilige Endgerät der zweiten logischen Gruppe die betreffenden Nutzdaten in das eine oder die mehreren ihm zugeordneten Geräte-Frames und sendet ein Ethernet-Frame mit seinen Nutzdaten als Antwort an das anfordernde Gerät - Kontrollgerät oder Endgerät - zurück. Der zweite Zyklus der Kommunikation ist erst beendet, wenn alle Endgeräte der zweiten logischen Gruppe, für die das zweite Ethernet-Frame ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames mit einer Anforderung (Request) enthält, jeweils ein Ethernet-Frame als Antwort gesendet haben.
  • Die Endgeräte der ersten logischen Gruppe erhalten das zweite Ethernet-Frame im zweiten Zyklus ebenfalls und lesen jeweils dessen Gruppen-Identifikationsfeld, erkennen aber die darin enthaltene Bitfolge als nicht zugewiesene Gruppenidentifikation und beachten das zweite Ethernet-Frame daher nicht; eine Verarbeitung von Geräte-Frames des zweiten Ethernet-Frames findet in der ersten logischen Gruppe nicht statt. Die Endgeräte der ersten Gruppe senden im zweiten Zyklus auch kein Ethernet-Antwort-Frame; das Kontrollgerät erwartet von diesen Geräten keine Antwort.
  • Umfasst das Netzwerk einen oder mehrere Verteiler und ist der eine oder sind diese mehreren Verteiler für eine selektive Weiterleitung der Ethernet-Frames in Abhängigkeit von der jeweiligen Gruppenidentifikation konfiguriert, kann das Verfahren in einer zweiten Verfahrensvariante so gestaltet sein, dass der jeweilige Verteiler im ersten Zyklus das erste Ethernet-Frame nur an die Endgeräte der ersten logischen Gruppe und im zweiten Zyklus das zweite Ethernet-Frame nur an die Endgeräte der zweiten logischen Gruppe weiterleitet. Auch in der zweiten Verfahrensvariante ist der erste Zyklus beendet, wenn alle Endgeräte der ersten logischen Gruppe, für die das erste Ethernet-Frame ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames enthält, jeweils ein Ethernet-Frame als Antwort gesendet haben. Der zweite Zyklus ist entsprechend beendet, wenn alle Endgeräte der zweiten logischen Gruppe, für die das zweite Ethernet-Frame ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames enthält, jeweils ein Ethernet-Frame als Antwort gesendet haben.
  • In bevorzugten Ausführungen empfangen die Endgeräte auch jeweils die Ethernet-Frames der anderen Endgeräte. Verfügt ein Endgerät der jeweiligen Gruppe über die entsprechende „Intelligenz“, kann es dazu eingerichtet sein, ein Ethernet-Frame eines anderen Endgeräts der gleichen Gruppe mitzulesen und zu erkennen, ob das jeweilige Ethernet-Frame Nutzdaten enthält, die für den Betrieb des intelligenten Endgeräts relevant sind. So kann beispielsweise ein Stellglied erkennen, dass ein für den Betrieb des Stellglieds relevanter Sensor Messdaten sendet und diese Messdaten direkt verarbeiten, ohne darauf zu warten, dass das Kontrollgerät ein Ethernet-Frame mit einem oder mehreren an das Stellglied adressierten Geräte-Frame(s) mit den relevanten Messdaten sendet. Das Kontrollgerät und auch der Netzbetrieb können diesbezüglich entlastet werden.
  • Auch in den nachstehend formulierten Aspekten werden Merkmale der Erfindung beschrieben. Die Aspekte sind in der Art von Ansprüchen formuliert und können diese ersetzen. In den Aspekten offenbarte Merkmale können die Ansprüche ferner ergänzen und/oder relativieren, Alternativen zu einzelnen Merkmalen aufzeigen und/oder Anspruchsmerkmale erweitern. In Klammern gesetzte Bezugszeichen beziehen sich auf nachfolgend in Figuren illustrierte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Sie schränken die in den Aspekten beschriebenen Merkmale nicht unter den Wortsinn als solchen ein, zeigen andererseits jedoch bevorzugte Möglichkeiten der Verwirklichung des jeweiligen Merkmals auf.
    1. 1. Ethernet-Frame zur Datenkommunikation in einem Netzwerk mit einem Kontrollgerät (1) und mehreren mit dem Kontrollgerät (1) verbundenen Endgeräten (11-14), das Ethernet-Frame (EF) umfassend:
      • 1.1 einen Ethernet-Frame-Header (EFH) und ein Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD);
      • 1.2 mehrere im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthaltene Geräte-Frames (DF11 - DF14), die einem oder mehreren der Endgeräte (11-14) zugeordnet sind;
      • 1.3 wobei die Geräte-Frames (DF11 - DF14) jeweils ein Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) mit zu verarbeitenden Nutzdaten und einen Geräte-Frame-Header (DFH) aufweisen; und
      • 1.4 ein Zwischenlevel-Frame (LF), das im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthalten ist, vorzugsweise das Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) bildet; wobei
      • 1.5 das Zwischenlevel-Frame (LF) ein Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) mit den mehreren Geräte-Frames (DF11 - DF14) und
      • 1.6 einen für die Geräte-Frames (DF11 - DF14) gemeinsamen Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) aufweist.
    2. 2. Ethernet-Frame nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei der jeweilige Geräte-Frame-Header (DFH) ein Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) mit einer Identifikation eines Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14), beispielsweise eine CRC-Signatur einer MAC-Adresse eines der Endgeräte (11-14) oder des Kontrollgeräts (1), und das jeweilige Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) Nutzdaten für den im Ziel-Identifikationsfeld identifizierten Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) enthalten.
    3. 3. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) mit einer Identifikation eines Senders des Ethernet-Frames (EF) enthält, wobei die Identifikation des Senders beispielsweise eine CRC-Signatur seiner MAC-Adresse sein kann.
    4. 4. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) mit einer Gruppenidentifikation (Gr1, Gr2) enthält, die die im Zwischenlevel-Frame (LF) enthaltenen Geräte-Frames (DF11 - DF14) als Geräte-Frames einer zusammengehörenden Gruppe von Endgeräten identifiziert, so dass die Endgeräte (11-14) durch Zuteilung jeweils einer bestimmten Gruppenidentifikation in unterschiedliche logische Gruppen von Endgeräten einteilbar sind.
    5. 5. Ethernet-Frame nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) anstelle einer bestimmten Gruppenidentifikation (Gr1, Gr2) eine Bitfolge für ein Broadcast an alle mit dem Kontrollgerät (1) verbundenen Endgeräte (11-14) enthält.
    6. 6. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Zwischenlevel-Frame ein CRC-Prüffeld (IfhCRC) zur Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) enthält.
    7. 7. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfhCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers (DFH) enthält.
    8. 8. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfdCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält.
    9. 9. Ethernet-Frame nach einer Kombination von wenigstens zwei der Aspekte 6 bis 8, wobei die CRC-Prüffelder jeweils einen CRC-Wert enthalten und die CRC-Werte von wenigstens zwei der CRC-Prüffelder auf unterschiedlichen Generatorpolynomen beruhen.
    10. 10. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Ethernet-Frame-Zählfeld (MsgCnt) mit einer Ethernet-Frame-Nummer enthält, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend gesendeter Ethernet-Frames (EF) die Stellung des jeweiligen Ethernet-Frames (EF) angibt, wobei das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, die Ethernet-Frame-Nummer zu inkrementieren und die Ethernet-Frame-Nummer durch die Endgeräte (11-14) vorzugsweise nicht veränderbar ist.
    11. 11. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH), ein Geräte-Frame-Zählfeld (seqCnt) mit einer Geräte-Frame-Nummer enthält, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend an das gleiche Endgerät gesendeter Geräte-Frames (DF) die Stellung des jeweiligen Geräte-Frames (DF) angibt, wobei das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, die Geräte-Frame-Nummer beim Senden des jeweiligen Geräte-Frames (DF) zu inkrementieren und die Endgeräte (11-14) dazu eingerichtet sind, die Geräte-Frame-Nummer umzuformen, beispielsweise zu invertieren.
    12. 12. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Ethernet-Frame-Modusfeld (MsgType) zur Identifizierung eines bestimmten Kommunikationsmodus aus mehreren wahlweise vorgebbaren unterschiedlichen Kommunikationsmodi (Discovery, Commissioning, Cyclic Data, Set, Get, RPC) einschließlich eines Inbetriebnahme-Modus (Commissioning) enthält, wobei das Ethernet-Frame-Modusfeld (MsgType) bei Auswahl des Inbetriebnahme-Modus den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) als Header für die Konfigurierung der Endgeräte (11-14) und/oder die im Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) enthaltenen Geräte-Frames (DF11 - DF14) als Geräte-Frames für die Konfigurierung der Endgeräte (11-14) identifiziert.
    13. 13. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Ethernet-Frame-Modusfeld (MsgType) zur Identifizierung eines bestimmten Kommunikationsmodus aus mehreren wahlweise vorgebbaren unterschiedlichen Kommunikationsmodi (Discovery, Commissioning, Cyclic Data, Set, Get, RPC) einschließlich eines Zyklusbetrieb-Modus (Cyclic Data) enthält, wobei das Ethernet-Frame-Modusfeld (MsgType) bei Auswahl des Zyklus-Modus den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) als Header für die zyklische Datenübertragung und die im Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) enthaltenen Geräte-Frames (DF11 - DF14) als Geräte-Frames mit Prozessdaten für die Endgeräte (11-14) oder von den Endgeräten (11-14) identifiziert.
    14. 14. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Safety-Wert enthält und der Safety-Wert (z.B.1 Bit) dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame (DF11-DF14) für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält.
    15. 15. Ethernet-Frame nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei mehrere der Geräte-Frames (DF11 - DF14) für die funktionale Sicherheit relevante Daten enthalten und die Safety-Werte dieser Geräte-Frames (DF11 - DF14) dies anzeigen.
    16. 16. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Anforderung/Antwort-Wert (z.B.1 Bit) enthält und der Anforderung/Antwort-Wert dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame eine Anforderung zum Senden von Nutzdaten ist oder die im Geräte-Frame-Datenfeld des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) enthaltenen Nutzdaten als Antwort auf eine Anforderung gesendet werden.
    17. 17. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Synchronisationswert (TimeSync, z.B.1 Bit) enthält, der dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames anzeigt, ob das jeweilige Geräte-Frame der Synchronisation der Geräteuhr des adressierten oder sendenden Endgeräts auf die Geräteuhr des Kontrollgeräts (1) dient.
    18. 18. Ethernet-Frame nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) mehrere Geräte-Frames für das gleiche Endgerät enthält und der Synchronisationswert eines der an das gleiche Endgerät gerichteten Geräte-Frames auf Zeitsynchronisation gesetzt ist und der Synchronisationswert eines anderen der an das gleiche Endgerät gerichteten Geräte-Frames nicht auf Zeitsynchronisation gesetzt ist.
    19. 19. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der jeweilige Geräte-Frame-Header (DFH) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem oder mehreren Run/Stop-Bits enthält und der Inhalt des einen oder der mehreren Run/Stop-Bits dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames im aktiven Betrieb hält oder in einen Ruhezustand versetzt.
    20. 20. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der jeweilige Geräte-Frame-Header (DFH) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) zum Anzeigen des Feststellens eines Fehlers in den Daten des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) und/oder in den Daten des Geräte-Frame-Headers (DFH) und/oder in den Daten des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält.
    21. 21. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) mehrere Geräte-Frames für das gleiche Endgerät enthält.
    22. 22. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei wenigstens ein Geräte-Frame (DF11) der mehreren Geräte-Frames einem ersten Endgerät (11) und ein anderes Geräte-Frame (DF12) der mehreren Geräte-Frames einem anderen, zweiten Endgerät (12) zugeordnet sind.
    23. 23. Ethernet-fähiges Netzwerk wenigstens mit folgenden Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte eingerichtet sind:
      • 23.1 ein Kontrollgerät (1), das dazu eingerichtet ist, ein Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Ethernet-Anforderungs-Frame (EF1) mit einer das Kontrollgerät (1) identifizierenden Geräteidentifikation im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) des Zwischenlevel-Frames (LF1) zu erzeugen und zu versenden;
      • 23.2 optional einen oder mehrere Verteiler (3); und
      • 23.3 ein erstes Endgerät (11) und ein zweites Endgerät (12), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3);
      • 23.4 wobei das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11req, DF12req) des Ethernet-Anforderungs-Frames (EF1) eine Geräteidentifikation zu schreiben, die das Endgerät, für das das jeweilige Geräte-Frame (DF11req, DF12req) bestimmt ist, identifiziert;
      • 23.5 und wobei jedes der Endgeräte (11, 12) dazu eingerichtet ist, das Ethernet-Anforderungs-Frame (EF1) zu empfangen, zu verarbeiten und ein Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Ethernet-Antwort-Frame (EF11, EF12) mit einer das jeweilige Endgerät (11, 12) identifizierenden Geräteidentifikation im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 resp, DF12resp) des Ethernet-Antwort-Frames (EF11, EF12) zu erzeugen und zu versenden.
    24. 24. Ethernet-fähiges Netzwerk nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das jeweilige Endgerät (11, 12) dazu eingerichtet ist, die Geräteidentifikation des Kontrollgeräts (1) in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationlD) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 resp, DF12resp) seines Ethernet-Antwort-Frames (EF11, EF12) zu schreiben.
    25. 25. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, wobei
      • 25.1 die Netzwerkkomponenten zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte jeweils in Kombination mit Aspekt 4 eingerichtet sind,
      • 25.2 dem ersten Endgerät (11) und dem zweiten Endgerät (12) eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation (Gr1) zugeteilt ist, so dass sie einer ersten logischen Gruppe angehören,
      • 25.3 das erste Endgerät (11) und das zweite Endgerät (12) durch die Zuteilung der ersten Gruppenidentifikation (Gr1) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) ausweist;
      • 25.4 dem dritten Endgerät (13) und dem vierten Endgerät (14) eine gemeinsame zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugeteilt ist, so dass sie einer zweiten logischen Gruppe angehören,
      • 25.5 das dritte Endgerät (13) und das vierte Endgerät (14) durch die Zuteilung der zweiten Gruppenidentifikation (Gr2) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) ausweist; und wobei
      • 25.6 die Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF1) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder ein Broadcast ausgewiesen ist, und
      • 25.7 die Endgeräte (13, 14) der zweiten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF2) die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) oder ein Broadcast ausgewiesen ist.
    26. 26. Ethernet-fähiges Netzwerk wenigstens mit folgenden Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte jeweils in Kombination mit Aspekt 4 eingerichtet sind:
      • 26.1 ein Kontrollgerät (1);
      • 26.2 optional einen oder mehrere Verteiler (3);
      • 26.3 ein erstes Endgerät (11) und ein zweites Endgerät (12), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3), und denen eine erste Gruppenidentifikation (Gr1) zugeteilt ist, so dass sie einer ersten logischen Gruppe angehören, und die durch die Zuteilung der ersten Gruppenidentifikation (Gr1) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) ausweist;
      • 26.4 ein drittes Endgerät (13) und ein viertes Endgerät (14), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3), und denen eine zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugeteilt ist, so dass sie einer zweiten logischen Gruppe angehören, und die durch die Zuteilung der zweiten Gruppenidentifikation (Gr2) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) eine andere, zweite Gruppenidentifikation (Gr2) ausweist;
      • 26.5 wobei der oder die Verteiler (3), f dazu eingerichtet ist oder sind, das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) an die Endgeräte (11-14) der ersten logischen Gruppe nur weiterzuleiten, wenn die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder ein Broadcast im Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) ausgewiesen ist, und das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) an die Endgeräte (11-14) der zweiten logischen Gruppe nur weiterzuleiten, wenn die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) oder ein Broadcast im Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) ausgewiesen ist; und/oder
      • 26.6 die Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF1) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder ein Broadcast ausgewiesen ist, und die Endgeräte (13, 14) der zweiten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF2) die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) oder ein Broadcast ausgewiesen ist.
    27. 27. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Aspekte 23 bis 26, wobei das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, in das Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF1, EF2) wahlweise die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zu schreiben.
    28. 28. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der der Aspekte 23 bis 27, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) jeweils eine Geräteidentifikation haben und der jeweilige Geräte-Frame-Header (DFH) ein Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) mit der Geräteidentifikation eines Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14), beispielsweise eine CRC-Signatur einer MAC-Adresse eines der Endgeräte (11-14) oder des Kontrollgeräts (1), und das jeweilige Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) Nutzdaten für den im Ziel-Identifikationsfeld identifizierten Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) enthalten, und wobei das Kontrollgerät (1) und vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät (11-14) dazu eingerichtet ist/sind, die Geräteidentifikation des Adressaten im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) zu lesen und/oder in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) zu schreiben.
    29. 29. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der der Aspekte 23 bis 28, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) jeweils eine Geräteidentifikation haben und der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) mit der Geräteidentifikation des Senders des jeweiligen Ethernet-Frames (EF) enthält, und wobei das Kontrollgerät (1) und vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät (11-14) dazu eingerichtet ist/sind, die Geräteidentifikation des Senders im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zu lesen und/oder die eigene Geräteidentifikation in das Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zu schreiben.
    30. 30. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der der Aspekte 23 bis 29, wobei die erste Gruppenidentifikation (Gr1) nur Endgeräten (11, 12) zugeteilt ist, die die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen, und die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) einem oder mehreren oder nur Endgeräten (13, 14) zugeteilt ist, die die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nicht erfüllen, so dass das Netzwerk aufgrund der Zuteilung der Gruppenidentifikationen (Gr1, Gr2) in Netzwerkbereiche unterschiedlicher funktionaler Sicherheit unterteilt ist.
    31. 31. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der der Aspekte 23 bis 30, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Safety-Wert (z.B.1 Bit) enthält, der dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame (DF11 - DF14) für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält, und wobei wenigstens das erste Endgerät (11) die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt und dazu eingerichtet ist, ein an das erste Endgerät (11) adressiertes Geräte-Frame (DF11) nur dann zu verarbeiten, wenn der Safety-Wert des jeweiligen, dem ersten Endgerät (11) zugeordneten Geräte-Frames (DF11) anzeigt, dass dieses Geräte-Frame für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält.
    32. 32. Ethernet-fähiges Netzwerk wenigstens mit folgenden Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte eingerichtet sind:
      • 32.1 ein Kontrollgerät (1);
      • 32.2 optional einen oder mehrere Verteiler (3); und
      • 32.3 ein erstes Endgerät (11) und ein zweites Endgerät (12), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3); wobei
      • 32.4 das Zwischenlevel-Frame ein CRC-Prüffeld (IfhCRC) zur Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) und/oder das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfhCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers (DFH) und/oder das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfdCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält/enthalten;
      • 32.5 der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) zum Anzeigen des Feststellens eines Fehlers in den Daten des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) und/oder des Geräte-Frame-Headers (DFH) und/oder des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält;
      • 32.6 das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, ein Ethernet-Frame (EF) mit einer Anforderung einer Antwort in einem oder mehreren der Geräte-Frames (DF) zu senden;
      • 32.7 und eines oder mehrere der Endgeräte (11-14) dazu eingerichtet ist oder sind,
        • - die Datenintegrität des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (IfhCRC) für den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) und/oder die Datenintegrität des jeweils zugeordneten Geräte-Frame-Headers (DFH) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (dfhCRC) für den Geräte-Frame-Header (DFH) und/oder die Datenintegrität des jeweils zugeordneten Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (dfdCRC) für das Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) zu prüfen,
        • - bei Feststellung eines Datenfehlers im Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) einen Fehlerwert zu setzen, und
        • - ein Ethernet-Frame (EF), das den Fehlerwert im Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) enthält, als Antwort an das Kontrollgerät (1) zu senden.
    33. 33. Ethernet-fähiges Netzwerk nach dem vorhergehenden Aspekt und einem der Aspekte 23 bis 31.
    34. 34. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Aspekte 23 bis 33, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) Feldgeräte sind und die Datenkommunikation im Netzwerk auf der Feldebene erfolgt.
    35. 35. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Aspekte 23 bis 34, wobei die Endgeräte (11-14) einen oder mehrere Sensoren (11, 13), beispielsweise einen oder mehrere Temperatursensoren und/oder Drucksensoren und/oder Volumenstromsensoren und/oder pH-Sensoren und/oder Konzentrationssensoren, und/oder einen oder mehrere Aktoren (12, 14), beispielsweise einen oder mehrere Motoren und/oder Ventile und/oder Heizeinrichtungen, und/oder einen oder mehrere Regler, beispielsweise Temperatur-Steuer- oder Regelgeräte und/oder Druck-Steuer- oder Regelgeräte und/oder Volumenstrom-Steuer- oder Regelgeräte, und/oder einen oder mehrere Monitore (4) umfassen.
    36. 36. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Aspekte 23 bis 35, wobei das Netzwerk ein System oder Bestandteil eines Systems zur Erfassung des Energieverbrauchs eines Gebäudes oder zur Steuerung oder Regelung der Temperatur(en) in einem Gebäude ist.
    37. 37. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Aspekte 23 bis 35, wobei das Netzwerk ein System oder Bestandteil eines Systems zur Erfassung, vorzugsweise Überwachung, und/oder Steuerung oder Regelung einer oder mehrerer physikalischer und/oder chemischer Größen in einer Anlage der technischen Verfahrenstechnik ist.
    38. 38. Verfahren zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk, in dem Netzwerkkomponenten umfassend ein Kontrollgerät (1) und mehrere Endgeräte (11-14) für die Datenkommunikation verbunden sind, vorzugsweise über einen oder mehrere optionale(n) Verteiler (3) des Netzwerks, und bei dem
      • 38.1 die Netzwerkkomponenten (1, 3, 11-14) für einen Datenaustausch in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte eingerichtet sind;
      • 38.2 das Kontrollgerät (1) ein Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Ethernet-Anforderungs-Frame (EF1) erzeugt und sendet;
      • 38.3 das Kontrollgerät (1) bei der Erzeugung des Ethernet-Anforderungs-Frames (EF1) in das Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) des Zwischenlevel-Frames (LF1) eine das Kontrollgerät (1) identifizierende Geräteidentifikation schreibt und in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationlD) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11, DF12) eine Geräteidentifikation schreibt, die das Endgerät, für das das jeweilige Geräte-Frame (DF11, DF12) bestimmt ist, identifiziert;
      • 38.4 und die Endgeräte (11-14) das Ethernet-Anforderungs-Frame (EF1) empfangen, verarbeiten und jeweils ein Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Aspekte als Ethernet-Antwort-Frame (EF11, EF12) mit einer das jeweilige Endgerät identifizierenden Geräteidentifikation im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11resp, DF12resp) des Ethernet-Antwort-Frames (EF11, EF12) erzeugen und senden.
    39. 39. Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das jeweilige Endgerät bei der Erzeugung seines Ethernet-Antwort-Frames (EF11, EF12) die Geräteidentifikation des Kontrollgeräts (1) in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 resp, DF12resp) seines Ethernet-Antwort-Frames (EF11, EF12) schreibt.
    40. 40. Verfahren nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, bei dem
      • 40.1 die Netzwerkkomponenten (1, 3, 11-14) zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte jeweils in Kombination mit Aspekt 4 eingerichtet sind;
      • 40.2 die Endgeräte (11-14) in eine erste logische Gruppe von Endgeräten (11, 12) und eine zweite logische Gruppe von Endgeräten (13, 14) gruppiert werden, indem
      • 40.3 den Endgeräten (11, 12) der ersten logischen Gruppe eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation (Gr1) und den Endgeräten (13, 14) der zweiten logischen Gruppe eine andere, gemeinsame zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugewiesen wird;
      • 40.4 eine Netzwerkkomponente, vorzugsweise das Kontrollgerät (1), die erste Gruppenidentifikation (Gr1) in den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) eines ersten Ethernet-Frames (EF1) schreibt und das erste Ethernet-Frame (EF1) in einem ersten Zyklus der Datenkommunikation an die Endgeräte (11-14) sendet;
      • 40.5 das jeweilige Endgerät (11, 12) der ersten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das oder die dem jeweiligen Endgerät durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind, verarbeitet; und bei dem
      • 40.6 das jeweilige Endgerät (13,14) der zweiten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als eine ihm nicht zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und deshalb das erste Ethernet-Frame (EF1) nicht verarbeitet.
    41. 41. Verfahren zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk, in dem Netzwerkkomponenten umfassend ein Kontrollgerät (1), mehrere Endgeräte (11-14) und optional einen oder mehrere Verteiler (3) für die Datenkommunikation miteinander verbunden sind, bei dem
      • 41.1 die Netzwerkkomponenten (1, 3, 11-14) für einen Datenaustausch in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Aspekte jeweils in Kombination mit Aspekt 4 eingerichtet sind;
      • 41.2 die Endgeräte (11-14) in eine erste logische Gruppe von Endgeräten (11, 12) und eine zweite logische Gruppe von Endgeräten (13, 14) gruppiert werden, indem
      • 41.3 den Endgeräten (11, 12) der ersten logischen Gruppe eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation (Gr1) und den Endgeräten (13, 14) der zweiten logischen Gruppe eine andere, gemeinsame zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugewiesen wird;
      • 41.4 eine Netzwerkkomponente, vorzugsweise das Kontrollgerät (1), die erste Gruppenidentifikation (Gr1) in den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) eines ersten Ethernet-Frames (EF1) schreibt und das erste Ethernet-Frame (EF1) in einem ersten Zyklus (T1) der Datenkommunikation an die Endgeräte (11-14) sendet;
      • 41.5 das jeweilige Endgerät (11, 12) der ersten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das oder die dem jeweiligen Endgerät durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind, verarbeitet; und bei dem
      • 41.6 das jeweilige Endgerät (13,14) der zweiten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als eine ihm nicht zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und deshalb das erste Ethernet-Frame (EF1) nicht verarbeitet.
    42. 42. Verfahren zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk, in dem Netzwerkkomponenten umfassend ein Kontrollgerät (1) und mehrere Endgeräte (11-14) über einen oder mehrere Verteiler (3) für die Datenkommunikation verbunden sind, bei dem
      • 42.1 die Netzwerkkomponenten (1, 3, 11-14) für einen Datenaustausch in Form von Ethernet-Frames (EF1, EF2) nach einem der vorhergehenden Aspekte jeweils in Kombination mit Aspekt 4 eingerichtet sind;
      • 42.2 die Endgeräte (11-14) in eine erste logische Gruppe von Endgeräten (11, 12) und eine zweite logische Gruppe von Endgeräten (13, 14) gruppiert werden, indem
      • 42.3 den Endgeräten (11, 12) der ersten logischen Gruppe eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation (Gr1) und den Endgeräten (13, 14) der zweiten logischen Gruppe eine andere, gemeinsame zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugewiesen wird;
      • 42.4 der jeweilige Verteiler (3) für eine selektive Weiterleitung der Ethernet-Frames (EF1, EF2) in Abhängigkeit von der jeweiligen Gruppenidentifikation (Gr1, Gr2) konfiguriert wird;
      • 42.5 eine Netzwerkkomponente, vorzugsweise das Kontrollgerät (1), die erste Gruppenidentifikation (Gr1) in den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) eines ersten Ethernet-Frames (EF1) schreibt und das erste Ethernet-Frame (EF1) in einem ersten Zyklus (T1) der Datenkommunikation an den oder die Verteiler (3) sendet; und
      • 42.6 der jeweilige Verteiler (3) das erste Ethernet-Frame (EF1) nur an die Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe weiterleitet.
    43. 43. Verfahren nach einem der Aspekte 41 und 42, bei dem
      • 43.1 eines oder mehrere der Geräte-Frames des ersten Ethernet-Frames (EF1) eine Anforderung (Request) zum Senden von Nutzdaten enthält oder jeweils enthalten;
      • 43.2 das jeweilige Endgerät (11, 12) der ersten logischen Gruppe, dem im ersten Ethernet-Frame (EF1) ein oder mehrere Geräte-Frames mit einer Anforderung zugeordnet ist/sind, die angeforderten Nutzdaten in das jeweilige die Anforderung enthaltende, zugeordnete Geräte-Frame schreibt und
      • 43.3 ein Ethernet-Frame (EF11, EF12) mit seinen Nutzdaten als Antwort als an die anfordernde Netzwerkkomponente (1) sendet; und
      • 43.4 der erste Zyklus (T1) erst beendet ist, wenn jedes der Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe, für die das erste Ethernet-Frame (EF1) ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames mit einer Anforderung (Request) enthält, jeweils ein Ethernet-Frame (EF11, EF12) als Antwort gesendet hat.
    44. 44. Verfahren nach einem der Aspekte 38 bis 43, bei dem
      • 44.1 das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) im Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Ethernet-Frame-Zählfeld (MsgCnt) mit einer Ethernet-Frame-Nummer enthätt, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend gesendeter Ethernet-Frames (EF1, EF2) die Stellung des jeweiligen Ethernet-Frame angibt; und
      • 44.2 das Kontrollgerät (1) die Ethernet-Frame-Nummer für das jeweils als nächstes zu sendende Ethernet-Frame (EF1, EF2) inkrementiert,
      • 44.3 während die Ethernet-Frame-Nummer durch die Endgeräte (11-14) nicht veränderbar ist.
    45. 45. Verfahren nach einem der Aspekte 38 bis 44, bei dem
      • 45.1 das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) im Geräte-Frame-Header (DFH) ein Geräte-Frame-Zählfeld (seqCnt) mit einer Geräte-Frame-Nummer enthält, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend an das gleiche Endgerät adressierter Geräte-Frames (DF) die Stellung des jeweiligen Geräte-Frames (DF) angibt;
      • 45.2 das Kontrollgerät (1) die Geräte-Frame-Nummer für das als nächstes an das gleiche Endgerät zu sendende Geräte-Frame (DF) inkrementiert; und
      • 45.3 das jeweilige Endgerät (11-14) die Geräte-Frame-Nummer liest und umformt, beispielsweise invertiert, und die umgeformte Geräte-Frame-Nummer in das Geräte-Frame-Zählfeld (seqCnt) des als nächstes an das Kontrollgerät (1) zu sendenden Geräte-Frames (DF) schreibt.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und der vorstehenden Aspekte vorteilhaft weiter. Es zeigen:
    • 1 ein Netzwerk für eine Datenkommunikation bis in die Feldebene mittels eines erfindungsgemäßen Protokolls basierend auf einem Ethernet-Standard,
    • 2 ein erfindungsgemäßes Ethernet-Frame, in das ein Zwischenlevel-Frame mit einem Zwischenlevel-Frame-Header und mehreren Geräte-Frames eingebettet ist,
    • 3 Steuerungsfelder eines Headers eines der Geräte-Frames,
    • 4 ein Netzwerk mit Netzwerkkomponenten, die mittels des Ethernet-Frames in logische Gerätegruppen unterteilt sind, während eines ersten Zyklus der Datenkommunikation,
    • 5 das Netzwerk der 4 während eines zweiten Zyklus der Datenkommunikation,
    • 6 einen Zyklus der Datenkommunikation im Netzwerk der 4;
    • 7 Zwischenlevel-Frames und Geräte-Frames als Anforderungs- und Antwort-Frames, und
    • 8 das Netzwerk der 4 mit direkter Datenkommunikation zwischen Endgeräten unterschiedlicher logischer Gerätegruppen.
  • 1 zeigt ein Netzwerk für eine Ethernet-basierte Datenkommunikation. Im Netzwerk sind ein Kontrollgerät 1 und mehrere Endgeräte 11, 12, 13 und 14 über eine Ethernet-fähige Datenverbindung 2 mit dem Kontrollgerät 1 verbunden. In der Datenverbindung 2 kann oder können ein oder mehrere Verteiler 3 angeordnet sein, um Datenpakete zu und von den Endgeräten 11-14 weiterzuleiten. Bei dem jeweiligen Verteiler 3 kann es sich beispielsweise um einen Switch, eine Bridge oder auch um ein Hub handeln. Das Kontrollgerät 1 beinhaltet eine PLC (Programmable Logic Controller) und agiert im Netzwerk als Master. Die Endgeräte können Sensoren 11 und 13 und Aktoren 12 und 14 sein. Der jeweilige Sensor 11 und/oder 13 kann ein Temperatursensor oder Drucksensor und der jeweilige Aktor 12 und/oder 14 kann ein Motor, Stellventil oder Heizelement sein, um nur Beispiele zu nennen.
  • Das Netzwerk kann weitere Netzwerkkomponenten umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Monitore 4. Der jeweilige Monitor 4 kann rein der Darstellung von beispielsweise Messwerten und/oder Gerätezuständen und/oder Betriebszuständen eines zu überwachenden Systems, wie etwa einer verfahrenstechnischen Anlage, dienen. Der jeweilige Monitor 4 kann als einfaches Endgerät, beispielsweise lediglich zu Darstellungszwecken, oder in Zusatzfunktion auch zur Konfigurierung eines oder mehrerer Endgeräte dienen. Das Netzwerk kann ein oder mehrere weitere Kontrollgeräte 5 umfassen, das oder die ebenfalls über die Datenverbindung 2 mit den anderen Netzwerkkomponenten, wie beispielsweise dem Kontrollgerät 1 und/oder den Endgeräten 11-14 und/oder dem jeweiligen Monitor 4 verbunden ist/sind. Die Datenverbindung 2 kann als physische Datenverbindung oder drahtlos oder auch gemischt, leitungsgebunden und drahtlos, ausgeführt sein. Sie kann zugleich der Versorgung einer oder mehrerer der Netzwerkkomponenten mit elektrischer Energie dienen.
  • Das Kontrollgerät 1 kann über eine weitere Datenverbindung 7 in ein größeres Netzwerk eingebunden sein. Über die Datenverbindung 7 kann das Kontrollgerät 1 beispielsweise auf der Basis eines bekannten, Ethernet-basierten Protokolls, wie etwa PROFINET und/oder Ethernet/IP und/oder andere bekannte Protokolle mit anderen Geräten kommunizieren.
  • In einer Variante kann das Kontrollgerät 1 durch ein Gateway ersetzt werden, über das die Endgeräte 11-14 und die jeweilige weitere Netzwerkkomponente 3, 4 und/oder 5 über eine Datenverbindung 8 mit einem entfernt, beispielsweise in der Cloud, angeordneten Kontrollgerät 9 verbunden sind. In der Variante agiert das in der Cloud vorhandene Kontrollgerät 9 als Master.
  • Um eine Ethernet-basierte Datenkommunikation bis in die Feldebene, d. h. bis zu den Endgeräten 11-14 und den optionalen weiteren End- und/oder Kontrollgeräten 4 und 5 unter Einsatz auch von einfachen, preiswerten Endgeräten zu ermöglichen, basiert die Datenkommunikation im Netzwerk auf einem für diese Zwecke entwickelten Protokoll, unter dem die Datenkommunikation mittels Datenpaketen in Form von Ethernet-Frames erfolgt. Dieses für die Feldebene entwickelte Protokoll basiert auf einem Ethernet-Frame nach einem Ethernet-Standard, vorzugsweise nach IEEE 802.1q.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäß aufgebautes Ethernet-Frame EF. Das Ethernet-Frame EF umfasst einen Ethernet-Standard-Header EFH mit den bekannten Datenfeldern, startet also mit einer Präambel, auf die ein Ziel-Adressfeld „Destination ADD“ und ein Quellen-Adressfeld „Source ADD“ sowie ein VLAN-Feld und der EtherType folgen. Für die Erkennung des Protokolls kann ein eigener EtherType oder im einfachsten Fall der OUI Extended EtherType mit dem OUI von beispielsweise einem Hersteller wesentlicher Netzwerkkomponenten verwendet werden. Die Datenfelder des Headers EFH haben die übliche Feldgröße, also acht Bytes für die Präambel einschließlich SFD, sechs Bytes für die beiden Adressfelder, vier Bytes für das VLAN-Feld und sieben Bytes für den EtherType. An den Header EFH schließt sich das Ethernet-Frame-Datenfeld EFD an, das die Nutzdaten für oder von den Endgeräten enthält. Dem Ethernet-Frame-Datenfeld DATA folgt wie ebenfalls üblich ein CRC-Prüffeld.
  • Das Ethernet-Frame-Datenfeld DATA enthält ein eigens für die Datenkommunikation unter Einschluss von Endgeräten aus dem Niedrigpreisbereich entwickeltes Zwischenlevel-Frame LF. In vorteilhaften Ausführungen enthält das Ethernet-Frame-Datenfeld EFD nur ein einziges Zwischenlevel-Frame LF, und bevorzugt besteht es aus dem Zwischenlevel-Frame LF, wie dies durch die gestrichelten Verbindungslinien vom Ethernet-Frame-Datenfeld EFD zum Zwischenlevel-Frame LF angedeutet ist.
  • Das Zwischenlevel-Frame LF umfasst einen Zwischenlevel-Frame-Header LFH mit Steuerungsdaten und ein Zwischenlevel-Frame-Datenfeld LFD für die Nutzdaten für und von den Endgeräten. Das Zwischenlevel-Frame LF kann darüber hinaus ein Padding-Feld zum Auffüllen des Zwischenlevel-Frame-Datenfelds LFD aufweisen.
  • Der Zwischenlevel-Frame-Header LFH gliedert sich in mehrere Steuerungsfelder und ein CRC-Prüffeld IfhCRC, das der Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH dient. Das Prüffeld IfhCRC enthält eine binäre Prüfsumme, die über den Steuerungsfeldern des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH mit einem angepassten Generatorpolynom durch Polynomdivision gebildet wird. Die Steuerungsfelder umfassen ein Ethernet-Frame-Zählfeld MsgCnt, ein Gruppen-Identifikationsfeld GroupID, ein Quellen-Identifikationsfeld SourcelD, ein Ethernet-Frame-Modusfeld MsgType und ein Längenfeld LFDSize, das die Länge, d. h. die Anzahl der Bits des Zwischenlevel-Frame-Datenfelds LFD ausweist.
  • Das Frame-Zählfeld MsgCnt wird bei jedem Senden eines Ethernet-Frames EF vom Kontrollgerät 1 oder in der erwähnten Variante vom Kontrollgerät 9 inkrementiert und kann von keiner anderen Netzwerkkomponente verändert werden. Das Kontrollgerät 1 oder 9 zählt damit die von ihm gesendeten Ethernet-Frames EF durch. Sendet das jeweilige Endgerät ein Ethernet-Frame EF beispielsweise als Antwort auf eine Anforderung des Kontrollgeräts 1 oder 9 zurück, enthält das als Antwort gesendete Ethernet-Frame im Ethernet-Frame-Zählfeld MsgCnt die gleiche Bitfolge wie das zuvor vom Kontrollgerät 1 oder 9 als Anforderung gesendete Ethernet-Frame EF. Das Frame-Zählfeld MsgCnt kann eine Feldgröße von beispielsweise einem Byte haben.
  • Mit dem Gruppen-Identifikationsfeld GroupID können die Netzwerkkomponenten, insbesondere die Endgeräte 11-14, im Rahmen der Konfigurierung des Netzwerks in logische Gruppen unterteilt werden, indem das Kontrollgerät 1 oder 9 jedem der Endgeräte 11-14 jeweils eine eigene Gruppenidentifikation zuweist. Sendet das Kontrollgerät 1 oder 9 dann im laufenden Betrieb ein Ethernet-Frame EF, das im GroupID-Feld eine bestimmte Bitfolge enthält, die einer zugewiesenen Gruppenidentifikation entspricht, so verarbeiten lediglich die zur dadurch ausgewiesenen Gruppe gehörenden Endgeräte das betreffende Ethernet-Frame EF. Zusätzlich kann vorgesehen sein, das im Gruppen-Identifikationsfeld GroupID eine Bitfolge für „Broadcast“ gesetzt wird, also ein Ethernet-Frame, das für die mit dem Kontrollgerät 1 oder 2 verbundenen Netzwerkkomponenten ungeachtet einer etwaigen Gruppenzugehörigkeit bestimmt ist und daher von diesen Netzwerkkomponenten gelesen und verarbeitet wird. Das Gruppen-Identifikationsfeld kann eine Feldgröße von nur einem Bit haben. Zur Unterscheidung zwischen wenigstens zwei Gruppenidentifikationen und Unterteilung in wenigstens zwei logische Gruppen einschließlich der Möglichkeit, ein Broadcast zu senden, werden jedoch wenigstens zwei Bit benötigt. Ein Feldgröße von einem Byte wird bevorzugt.
  • Die Unterscheidung und entsprechend selektive Verarbeitung von Nutzdaten nach Gruppenzugehörigkeit kann mittels der Verteiler 3, soweit vorhanden, durch entsprechende Filterung der Ethernet-Frames EF erfolgen. Bevorzugt wird die Unterscheidung und hierauf basierend die selektive Verarbeitung durch das jeweilige Endgerät vorgenommen, indem das jeweilige Endgerät dazu eingerichtet ist, die Nutzdaten eines Geräte-Frames DF nur dann zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld GroupID des jeweiligen Ethernet-Frames EF die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation oder ein Broadcast ausgewiesen ist, falls das Protokoll ein Broadcast als Auswahlmöglichkeit vorsieht, und das Zwischenlevel-Frame LF und damit das Ethernet-Frame EF nicht zu beachten, wenn dies nicht der Fall ist, insbesondere wenn das GroupID-Feld eine bestimmte andere Gruppenidentifikation ausweist. Verfügen mehrere der Endgeräte oder alle Endgeräte über die Fähigkeit der Unterscheidung und selektiven Verarbeitung anhand der Angabe im GroupID-Feld, können herkömmliche Verteiler 3 verwendet werden, die jedes Ethernet-Frame EF mit dem erfindungsgemäßen Aufbau an jeweils alle mit dem jeweiligen Verteiler 3 verbundene Netzwerkkomponenten, wie etwa die Endgeräte 11-14, weiterleiten.
  • Das Quellen-Identifikationsfeld SourcelD identifiziert den Sender des jeweiligen Ethernet-Frames EF und enthält eine Geräteidentifikation in Form einer Bitfolge, die eines der Endgeräte 11-14 oder eine andere Netzwerkkomponente eindeutig identifiziert. Ist das Kontrollgerät 1 oder 9 der Sender, identifiziert die Bitfolge des SourcelD-Felds entsprechend das Kontrollgerät 1 oder 9. Ist eines der Endgeräte 11-14 oder eines der optional weiteren Geräte 4 oder 5 der Sender, wird im Quellen-Identifikationsfeld SourcelD des jeweiligen Ethernet-Frames EF entsprechend diese Netzwerkkomponente als Sender identifiziert. Die Geräteidentifikation kann eine CRC-Signatur, vorzugsweise eine CRC16-Signatur, eines Geräteparameters sein, die den Sender eindeutig identifiziert. Insbesondere kann die Geräteidentifikation eine CRC-Signatur der MAC-Adresse des jeweiligen Geräts sein.
  • Im Ethernet-Frame-Modusfeld MsgType wird der Kommunikationsmodus identifiziert. Das Protokoll unterscheidet zwischen mehreren Kommunikationsmodi, von denen jeweils einer ausgewählt und im Ethernet-Frame-Modusfeld MsgType vorgegeben werden kann. Insbesondere kann hierdurch zwischen der Inbetriebnahme des Netzwerks und dem laufenden Netzwerkbetrieb unterschieden werden.
  • Für den Aufbau des Netzwerks mit Hilfe des Ethernet-Frames EF beinhaltet das Protokoll konkrete Kommunikationsmodi, die in Teilen aufeinander aufbauen und nacheinander durchlaufen werden. In einer ersten Phase, einer Engineering-Phase, werden beispielsweise alle für den Betrieb gemäß Protokoll notwendigen Parameter konfiguriert. Dies kann per manueller Eingabe erfolgen, oder es wird auf definierte Profile zurückgegriffen. Falls dem Kontrollgerät 1 oder 9 alle Parameter bereits bekannt sind, kann die Engineering-Phase entfallen. Nach der Konfiguration der Parameter kann sich in Anlehnung an das PROFINET eine Discovery-Phase anschließen, die dem Auffinden und der Identifikation der zum Netzwerk gehörenden Netzwerkkomponenten dient. Hierzu wird ein Ethernet-Frame EF vom Kontrollgerät 1 oder 9 oder einem Supervisor als Broadcast-Nachricht gesendet, auf die die einzelnen Netzwerkkomponenten, insbesondere die Endgeräte 11-14, entsprechend antworten. Im MsgType-Feld wird dies durch Setzen einer Bitfolge für „Discovery“ ausgewiesen.
  • In einem nachfolgenden Inbetriebnahme-Modus (Commissioning), der sich über einen oder mehrere Datenzyklen erstrecken kann, bereitet das Kontrollgerät 1 oder 9 die verbundenen Netzwerkkomponenten auf die Datenkommunikation unter dem erfindungsgemäßen Protokoll vor, insbesondere nimmt es noch erforderliche Zuweisungen vor. Das Kontrollgerät 1 oder 9 macht den Inbetriebnahme-Modus durch Setzen einer entsprechenden Bitfolge im Ethernet-Frame-Modusfeld MsgType kenntlich und sendet das jeweilige, der Inbetriebnahme dienende Ethernet-Frame EF an alle Netzwerkkomponenten. Mit einem oder mehreren zeitlich aufeinander zu sendenden Ethernet-Frames EF, beispielsweise zwei Ethernet-Frames, weist das Kontrollgerät 1 oder 9 den Endgeräten 11-14 und gegebenenfalls weiteren Netzwerkkomponenten jeweils die Gruppenidentifikation zu. Das Kontrollgerät 1 oder 9 kann auch dazu eingerichtet sein, temporäre Geräteidentifikationen zuzuweisen, die bis auf weiteres die bisherigen Geräteidentifikationen ersetzen, soweit bei den Endgeräten 11 bis 14 und gegebenenfalls weiteren Netzwerkkomponenten die Fähigkeit zur Änderung der Geräteidentifikation implementiert ist.
  • Ist die Inbetriebnahme abgeschlossen, kann in den laufenden Betrieb übergegangen werden. Im laufenden Betrieb kann zwischen weiteren Kommunikationsmodi unterschieden werden, wobei hierzu insbesondere ein Zyklusbetrieb-Modus gehört. Der Zyklusbetrieb-Modus wird durch eine entsprechende Bitfolge, die das Kontrollgerät 1 oder 9 im MsgType-Feld setzt, identifiziert.
  • Das Zwischenlevel-Frame-Datenfeld LFD enthält die Daten für und von den Endgeräten 11-14 und den gegebenenfalls weiteren Netzwerkkomponenten. Diese gerätespezifischen Daten werden in Form von Geräte-Frames DF übermittelt. In 2 sind lediglich beispielhaft vier Geräte-Frames DF11, DF12, DF13 und DF14 dargestellt, die den Endgeräten 11 bis 14 zugeordnet sind. Lediglich beispielhaft ist jedem der Endgeräte 11-14 in bijektiver Zuordnung genau eines der Geräte-Frames DF11 - DF14 zugeordnet. Das Zwischenlevel-Frame-Datenfeld LFD kann stattdessen auch mehrere Geräte-Frames DF für das gleiche Endgerät oder für jeweils mehrere Endgeräte enthalten. Es können auch ausschließlich Geräte-Frames DF für das gleiche Endgerät enthalten sein. Ferner besteht die Möglichkeit, ein so genanntes Summenrahmentelegramm zu senden, also ein einziges Geräte-Frame DF für mehrere und gegebenenfalls für alle im Netzwerk verbundenen Netzwerkkomponenten.
  • Das jeweilige Geräte-Frame DF umfasst einen Geräte-Frame-Header DFH und ein Geräte-Frame-Datenfeld DFD. Darüber hinaus kann das jeweilige Geräte-Frame DF ein Prüffeld dfdCRC zur Absicherung der im Geräte-Frame-Datenfeld DFD enthaltenen Daten umfassen. Das Prüffeld dfdCRC enthält eine binäre Prüfsumme, die über den Daten des Geräte-Frame-Datenfelds DFD mit einem angepassten Generatorpolynom durch Polynomdivision gebildet wird. Der Geräte-Frame-Header DFH enthält ein Ziel-Identifikationsfeld DestinationlD, ein Kontroll-und-Status-Feld CTR&Status, ein Längenfeld DFDSize, das die Bitlänge des Geräte-Frame-Datenfelds DFD angibt, und ein eigenes Prüffeld dfhCRC zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers DFH. Das Prüffeld dfhCRC enthält eine binäre Prüfsumme, die über den Steuerungsdaten des Geräte-Frame-Headers DFD mit einem angepassten Generatorpolynom durch Polynomdivision gebildet wird.
  • Der jeweilige Geräte-Frame-Header enthält ein Ziel-Identifikationsfeld DestinationlD. Das Ziel-Identifikationsfeld enthält eine Geräteidentifikation in Form einer Bitfolge, die den Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames DF, beispielsweise eines der Endgeräte 11-14 oder eine andere Netzwerkkomponente, eindeutig identifiziert. Die Geräteidentifikation kann eine CRC-Signatur, vorzugsweise eine CRC16-Signatur, eines Geräteparameters sein, die das zu identifizierende Gerät eindeutig identifiziert. Insbesondere kann die Geräteidentifikation eine CRC-Signatur der MAC-Adresse des jeweiligen Geräts sein.
  • Mittels der beiden Identifikationsfelder SourcelD im Zwischenlevel-Frame-Header LFH und DestinationlD im jeweiligen Geräte-Frame-Header DFH können im Ethernet-Frame EF auf der Ebene des Zwischenlevel-Frames LF sowohl der Sender als auch der jeweilige Adressat eindeutig identifiziert werden. Sendet beispielsweise das Kontrollgerät 1, setzt es im Feld SourcelD seine eigene Geräteidentifikation und im jeweiligen Geräte-Frame im Feld DestinationID die Geräteidentifikation eines der Endgeräte 11-14 oder einer anderen Netzwerkkomponente, wie etwa die Geräteidentifikation eines Monitors 4 oder eines anderen Kontrollgeräts 5. Sendet beispielsweise eines der Endgeräte 11-14, setzt es seine eigene Geräteidentifikation im Feld SourcelD und setzt im jeweiligen Geräte-Frame im Feld DestinationID die Geräteidentifikation eines anderen Geräts, beispielsweise des Kontrollgeräts 1 oder eines anderen Endgeräts. Das Quellen-Identifikationsfeld SourcelD im Zwischenlevel-Frame-Header LFH und das Ziel-Identifikationsfeld DestinationlD im jeweiligen Geräte-Frame DF ermöglichen somit eine gerichtete Datenkommunikation in beide Richtungen, insbesondere eine eindeutige Adressierung eines Ethernet-Frames durch eine der Netzwerkkomponenten, beispielsweise eines der Endgeräte 11-14, an eine andere der Netzwerkkomponenten, beispielsweise an das Kontrollgerät 1 oder ein anderes der Endgeräte 11-14.
  • Ein Vorteil dieser Adressierung innerhalb des Netzwerks ist auch, dass anstelle der sechs Byte langen MAC-Adressen mit Geräteidentifikationen gearbeitet werden kann, die mit kleineren Ziel- und Quellen-Identifikationsfeldern auskommen. Das Ziel-Identifikationsfeld DestinationlD und das Quellen-Identifikationsfeld SourcelD können auf jeweils höchstens drei oder höchstens zwei Byte reduziert werden. Die beiden allgemeinen Adressfelder Destination ADD und Source ADD im Standard-Header des Ethernet-Frame EF werden für die Datenkommunikation innerhalb des Netzwerks nicht benötigt. Das Adressfeld Destination ADD wird grundsätzlich auf Multicast gesetzt. In diesem Sinne ist das Ethernet-Frame richtungsunabhängig.
  • Zum Zwischenlevel-Frame-Header LFH sind bevorzugte Feldgrößen, in Byte, für die einzelnen Steuerungsfelder des Headers LFH eingetragen. Ebenso sind bevorzugte Feldgrößen für die Steuerungs- und CRC-Prüffelder des Geräte-Frames DF eingetragen. Hierbei handelt es sich um zwar bevorzugte, aber nur beispielhafte Feldgrößen.
  • In 3 ist nochmals der Aufbau des Geräte-Frames DF dargestellt, wobei das Kontroll-und-Status-Feld CTR&Status aufgeschlüsselt ist. Gemäß Aufschlüsselung enthält das Steuerungsdatenfeld CTR&Status einen Safety-Wert, der angibt, ob das jeweilige Geräte-Frame DF Nutzdaten enthält, die für die funktionale Sicherheit relevant sind. Für den Safety-Wert kann insbesondere ein einzelnes Bit vorgesehen sein, so dass lediglich zwischen „sicherheitsrelevant“ und „nicht sicherheitsrelevant“ unterschieden wird.
  • Im Feld CTR&Status ist ferner eine Angabe Repeated Msg enthalten, die der empfangenden Netzwerkkomponente anzeigt, ob das betreffende Geräte-Frame DF erstmalig oder zum wiederholten Mal gesendet wird. Auch für diese Angabe ist beispielhaft lediglich ein Bit vorgesehen.
  • Des Weiteren ist ein Synchronisationswert TimeSync für die zeitliche Synchronisierung der Geräteuhr der empfangenden Netzwerkkomponente auf die Geräteuhr des Kontrollgeräts 1 oder 9 vorgesehen. Auch der Synchronisationswert TimeSync kann, wie beispielhaft dargestellt, aus nur einem einzigen Bit bestehen, so dass damit nur angezeigt wird, ob das betreffende Geräte-Frame DF der zeitlichen Synchronisierung dient oder nicht.
  • Mit einem Feld Request/Response wird angezeigt, ob das jeweilige Geräte-Frame DF eine Anforderung zum Senden von Nutzdaten oder eine Antwort auf solch eine Anforderung ist. Auch dieses Feld kann aus nur einem Bit bestehen.
  • Mit einem Run/Stop-Bit kann die empfangende Netzwerkkomponente vom Kontrollgerät 1 oder 9 wahlweise stillgesetzt oder im laufenden Betrieb gehalten werden.
  • Zur funktionalen Sicherheit trägt ein Fehlerstatusfeld DataCRCError bei. In dieses Feld kann ein Fehlerwert eingetragen werden, der dem Empfänger anzeigt, ob ein zuvor von ihm gesandtes Ethernet-Frame im Verlauf der Übertragung beschädigt wurde. Das Fehlerstatusfeld kann beispielsweise aus nur einem Bit bestehen und in diesem Fall nur zwischen „Fehler erkannt“ und „kein Fehler erkannt“ unterscheiden.
  • Neben weiteren Angaben enthält das Steuerungsdatenfeld CTR&Status ein Geräte-Frame-Zählfeld seqCnt mit einer Geräte-Frame-Nummer, die vom Kontrollgerät 1 oder 9 in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend an die gleiche Netzwerkkomponente gesendeter Geräte-Frames DF die Stellung des jeweiligen Geräte-Frames DF angibt. Das Kontrollgerät 1 oder 9 ist dazu eingerichtet, die Geräte-Frame-Nummer beim Senden des jeweiligen Geräte-Frames zu inkrementieren. Die Endgeräte 11-14 und gegebenenfalls weitere Netzwerkkomponenten sind dazu eingerichtet, die Geräte-Frame-Nummer umzuformen, beispielsweise zu invertieren. Sind für das Geräte-Frame-Zählfeld seqCnt beispielsweise 3 Bits vorgesehen und sendet das Kontrollgerät 1 oder 9 die Bitfolge 101, so antwortet die Netzwerkkomponente, für die das betreffende Geräte-Frame DF bestimmt ist, im Falle einer Umformung durch Invertierung im Gerät-Frame-Zählfeld seqCnt mit der Bitfolge 010.
  • In vielen industriellen Anwendungen, für die das Protokoll und insbesondere das Ethernet-Frame EF konzipiert sind, kann eine sichere Datenübertragung nicht gewährleistet werden. Die Datenverbindung, wie etwa die Datenverbindung 2 im Netzwerk der 1, wird in derartigen Fällen als Black Channel betrachtet. Die Datenintegrität wird dennoch durch das Zwischenlevel-Frame LF gewährleistet. Hierzu tragen insbesondere die im Zwischenlevel-Frame-Header LFH und im jeweiligen Geräte-Frame DF vorgesehenen CRC-Prüffelder bei. Jede Netzwerkkomponente, die dem Bereich der funktionalen Sicherheit zugeordnet ist und dementsprechend die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt, überprüft jedes der für sie bestimmten Ethernet-Frames EF anhand der Prüffelder IfhCRC, dfhCRC und dfdCRC.
  • Die Prüfung auf Datenintegrität wird zweckmäßigerweise in einer vorgegebenen Prüfreihenfolge durchgeführt. In einem ersten Prüfschritt prüft die jeweilige Netzwerkkomponente, die von einem Sender, beispielsweise dem Kontrollgerät 1, ein Ethernet-Frame mit einem zugeordneten Geräte-Frame erhält, die Datenintegrität des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH anhand des hierfür vorgesehenen Prüffelds IfhCRC. Wird der Header LFH als fehlerhaft erkannt, erzeugt die empfangende Netzwerkkomponente ein Ethernet-Frame, in dessen Fehlerstatusfeld DataCRCError sie den Wert für „Fehler“ schreibt. Ferner schreibt sie in das Quellen-Identifikationsfeld SourcelD des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH die eigene Geräteidentifikation und in das Ziel-Identifikationsfeld DestinationID des jeweiligen zugeordneten Geräte-Frames DF die Geräteidentifikation des Senders, von dem sie das Ethernet-Frame EF erhalten hat, und sendet das von ihr unter anderem mit diesen Angaben versehene Ethernet-Frame EF als Antwort an den Sender zurück.
  • Wird ein Datenfehler im Zwischenlevel-Frame-Header LFH nicht erkannt, wird die Integrität der im Header LFH enthaltenen Daten unterstellt. Die empfangende Netzwerkkomponente überprüft dann im nächsten Schritt anhand des Prüffelds dfhCRC die Integrität der im Geräte-Frame-Header DFH enthaltenen Daten. Wird bei dieser zweiten Integritätsprüfung ein Fehler erkannt, verfährt die empfangende Netzwerkkomponente wie vorstehend in Bezug auf den Zwischenlevel-Frame-Header erläutert, sendet also ein entsprechendes Ethernet-Frame EF als Fehlerantwort.
  • Wird auch bei dieser zweiten Prüfung kein Fehler erkannt, kann auf die Integrität der im Geräte-Frame-Header DFH enthaltenen Daten geschlossen werden. Es schließt sich dann als dritte Integritätsprüfung die Prüfung der im Geräte-Frame-Datenfeld DFD enthaltenen Nutzdaten mittels des hierfür vorgesehenen Prüffelds dfdCRC an. Bei Erkennung eines Fehlers wird ein Ethernet-Frame EF in Form einer Fehlerantwort erzeugt und gesendet, wie vorstehend am Beispiel der Integritätsprüfung des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH erläutert.
  • Die Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers LFH mittels eines eigenen CRC-Prüffelds IfhCRC separat von der Absicherung der einzelnen Geräte-Frames DF ist ein erstes Merkmal, das zur Erkennung etwaiger Datenfehler beiträgt. Die zusätzliche Absicherung des jeweiligen Geräte-Frames DF erhöht die Sicherheit einer Fehlererkennung weiter. Dabei kann in einer Variante das jeweilige Geräte-Frame insgesamt durch ein CRC-Prüffeld, dessen Prüfsumme über das jeweils gesamte Geräte-Frame DF gebildet wird, abgesichert werden. Für die Fehlererkennung ist es jedoch günstiger, wenn der Header DFH und das Datenfeld DFD mit den Nutzdaten separat voneinander jeweils durch ein eigenes CRC-Prüffeld, wie im Ausführungsbeispiel, abgesichert werden. Die separate Absicherung beschleunigt zudem die Fehlererkennung. Die Generatorpolynome und entsprechend die Feldgröße des jeweiligen CRC-Prüffelds ist in Anpassung an den Umfang der separat gesicherten Datenbereiche gewählt, um den Anforderungen der funktionalen Sicherheit zu genügen.
  • Die 4 und 5 zeigen ein Netzwerk, in dem das Kontrollgerät 1 über die Datenverbindung 2 und den Verteiler 3 mit den Endgeräten 11 - 14 verbunden ist. Die 4 und 5 veranschaulichen den Betrieb des Netzwerks, das mittels des erfindungsgemäßen Protokolls und insbesondere des erfindungsgemäß strukturierten Ethernet-Frames in mehrere logische Gruppen von Endgeräten unterteilt ist. Zur Unterteilung wird den Endgeräten 11 - 14 in der Inbetriebnahme-Phase jeweils eine Gruppenidentifikation zugewiesen. Hierzu werden das Ethernet-Frame-Modusfeld MsgType vom Kontrollgerät 1 auf Inbetriebnahme-Modus, dass Gruppen-Identifikationsfeld GroupID auf Broadcast gesetzt und den Endgeräten 11 - 14 mittels eines gemeinsamen Geräte-Frames in Form eines Summenrahmentelegramms die jeweilige Gruppenidentifikation zugewiesen. Lediglich beispielhaft sei angenommen, dass den Endgeräten 11 und 12 eine erste Gruppenidentifikation Gr1 und den Endgeräten 12 und 14 eine andere, zweite Gruppenidentifikation Gr2 zugewiesen wird. Gr1 und Gr2 stehen lediglich symbolisch für die jeweilige Bitfolge, die der zugewiesenen Gruppenidentifikation entspricht. Die erste logische Gruppe Gr1 und/oder die zweite logische Gruppe Gr2 kann oder können jeweils weitere Netzwerkkomponenten umfassen. Ebenso kann das Netzwerk eine oder mehrere weitere logische Gruppen von Endgeräten aufweisen, die über die Datenverbindung 2 und den Verteiler 3 oder einen oder mehrere weitere Verteiler mit dem Kontrollgerät 1 verbunden sind. Die Datenverbindung 2, über die die Ethernet-Frames leitungsgebunden und/oder drahtlos übertragen werden, ist in durchgezogenen Linien und die logischen Verknüpfungen sind in Strichlinien dargestellt.
  • In 6 sind ein erster Zyklus T1 der Datenkommunikation und der Beginn eines unmittelbar anschließenden zweiten Zyklus im Netzwerk der 4 und 5 dargestellt. Der erste Zyklus T1 betrifft nur die Endgeräte 11 und 12 der ersten Gruppe Gr1, und der zweite Zyklus betrifft nur die Endgeräte 13 und 14 der zweiten Gruppe Gr2. Die beiden Zyklen können auch als erster und zweiter Gruppenzyklus bezeichnet werden. Im ersten Gruppenzyklus T1 sendet das Kontrollgerät 1 im Zyklusbetrieb-Modus ein Ethernet-Frame EF1, in dessen Gruppenidentifikationsfeld die Gruppenidentifikation Gr1 gesetzt ist. Das Ethernet-Frame EF1 ist somit nur an die Endgeräte gerichtet, denen die Gruppenidentifikation Gr1 zugewiesen wurde; im Ausführungsbeispiel sind dies die Endgeräte 11 und 12. Ist der Verteiler 3 zu einer Filterung der Ethernet-Frames nach Gruppenzugehörigkeit nicht eingerichtet, erhalten alle Endgeräte 11 - 14 das Ethernet-Frame EF1. Die Endgeräte der im Gruppenidentifikationsfeld nicht identifizierten logischen Gruppe(n), hier die Endgeräte 13 und 14, sind dazu eingerichtet, den Zwischenlevel-Frame-Header LF1 des Ethernet-Frames EF1 zu lesen und anhand des Gruppenidentifikationsfelds zu erkennen, dass das Ethernet-Frame EF1 nicht an sie gerichtet ist. Die Endgeräte 13 und 14 beachten das Ethernet-Frame EF1 demgemäß nicht. Die Endgeräte 11 und 12 hingegen und gegebenenfalls weitere Netzwerkkomponenten mit der Gruppenidentifikation Gr1 verarbeiten die ihnen zugeordneten Geräte-Frames, die im Zwischenlevel-Frame LF1 enthalten sind.
  • Beispielhaft wird angenommen, dass das Zwischenlevel-Frame LF1 ein Geräte-Frame DF11req für das Endgerät 11 und ein Geräte-Frame DF12req für das Endgerät 12 enthält. Das Zwischenlevel-Frame LF1 kann ein oder mehrere weitere Geräte-Frames für das Endgerät 11 und/oder einen oder mehrere weitere Geräte-Frames für das Endgerät 12 und/oder ein oder mehrere weitere Geräte-Frames für optional weitere Netzwerkkomponenten der logischen Gruppe Gr1 enthalten. Auf die mit dem Ethernet-Frame EF1 übermittelte Anforderung sendet jedes der Endgeräte 11 und 12 mit der Gruppenidentifikation Gr1 ein Ethernet-Frame als Antwort. Auf die im Anforderung/Antwort-Feld des jeweiligen Geräte-Frames DF11req und DF12req des Ethernet-Frames EF1 kenntlich gemachte Anforderung (Request) senden das Endgerät 11 das Ethernet-Frame EF11 mit dem Geräte-Frame DF11resp als Antwort (Response) und das Endgerät 12 das Ethernet-Frame EF12 mit dem Geräte-Frame DF12resp als Antwort. Die Ethernet-Frames EF11 und EF12 der Endgeräte 11 und 12 werden sequenziell, das heißt nacheinander, an das Kontrollgerät 1 gesendet. Nach dem Absenden des Ethernet-Frames EF1 beginnt die watchdog time Tw, innerhalb der das Kontrollgerät 1 auf die Antwort(en) der im jeweiligen Geräte-Frame adressierten Endgeräte wartet. Im Beispiel sind dies die Endgeräte 11 und 12. Der erste Zyklus T1 ist erst beendet, wenn das Kontrollgerät 1 ein Ethernet-Frame als Antwort von jedem der Endgeräte der ersten logischen Gruppe erhalten hat, für das mit dem Ethernet-Frame EF1 ein zugeordnetes Geräte-Frame mit einer Anforderung gesendet wurde. Im Beispiel wird unterstellt, dass das Ethernet-Frame EF1 eine Anforderung sowohl für das Endgerät 11 als auch für das Endgerät 12 enthält.
  • Im anschließenden zweiten Zyklus der Datenkommunikation sendet das Kontrollgerät 1 im Zyklusbetrieb-Modus ein Ethernet-Frame EF2, in dessen Gruppenidentifikationsfeld die Gruppenidentifikation Gr2 gesetzt ist. Das Ethernet-Frame EF2 ist somit nur an die Endgeräte gerichtet, denen die Gruppenidentifikation Gr2 zugewiesen wurde; im Ausführungsbeispiel sind dies die Endgeräte 13 und 14. Ist der Verteiler 3 zu einer Filterung der Ethernet-Frames nach Gruppenzugehörigkeit nicht eingerichtet, erhalten alle Endgeräte 11 - 14 auch das Ethernet-Frame EF2. Die Endgeräte der im Gruppenidentifikationsfeld nicht identifizierten logischen Gruppe(n), hier die Endgeräte 11 und 12, sind dazu eingerichtet, den Zwischenlevel-Frame-Header LF2 des Ethernet-Frames EF2 zu lesen und anhand des Gruppenidentifikationsfelds zu erkennen, dass das Ethernet-Frame EF2 nicht an sie gerichtet ist. Die Endgeräte 11 und 12 beachten das Ethernet-Frame EF2 demgemäß nicht. Die Endgeräte 13 und 14 hingegen und gegebenenfalls weitere Netzwerkkomponenten mit der Gruppenidentifikation Gr2 verarbeiten die ihnen zugeordneten Geräte-Frames, die im Zwischenlevel-Frame LF2 enthalten sind und antworten analog wie die Endgeräte der ersten Gruppe im ersten Zyklus T1.
  • In 7 sind vom Ethernet-Frame EF1 das Zwischenlevel-Frame LF1 und von den beiden Ethernet-Frames EF11 und EF12 der Endgeräte 11 und 12 ebenfalls das jeweilige Zwischenlevel-Frame LF11 und LF12 mit dem als Antwort gesendeten Geräte-Frame DF11 resp und DF12resp dargestellt. Das Zwischenlevel-Frame LF1 des vom Kontrollgerät 1 gesendeten Ethernet-Frames EF1 enthält im Zählfeld MsgCnt beispielhaft die Zahl n, im GroupID-Feld die Gruppenidentifikation Gr1 und im Quellen-Identifikationsfeld SourcelD die eigene ControllerlD. Im Modusfeld MsgType wird der Zyklusbetrieb-Modus ausgewiesen. Der Nutzdatenbereich LFD des Zwischenlevel-Frames LF1 enthält die beiden Geräte-Frames DF11req und DF12req mit jeweils einer Anforderung nach einer Antwort.
  • Im Zwischenlevel-Frame LF11 des daraufhin vom Endgerät 11 als Antwort gesendeten Ethernet-Frames EF11 entsprechen die Bitfolgen in den Datenfeldern MsgCnt, GroupID und MsgType den Bitfolgen in den entsprechenden Feldern des vom Kontrollgerät 1 gesendeten Ethernet-Frames EF1. Im Quellenidentifikationsfeld SourcelD hat das Endgerät 11 seine eigene Geräteidentifikation DevicelD-11 und im Nutzdatenbereich LFD die angeforderten Nutzdaten in Form des Geräte-Frames DF11 resp eingetragen. Entsprechend hat das Endgerät 12 in dem von ihm als Antwort gesendeten Ethernet-Frame im SourcelD-Feld die eigene Geräteidentifikation DevicelD-12 und im Nutzdatenbereich im Geräte-Frame DF12resp die angeforderten Nutzdaten eingetragen. Vom CRC-Prüffeld abgesehen, können die von den Endgeräten 11 und 12 im Ethernet-Antwort-Frame gesendeten Zwischenlevel-Frames LF11 und LF12 einander im Übrigen entsprechen.
  • Für das vom Kontrollgerät 1 gesendete Ethernet-Frame EF1 ist in 7 ferner das Geräte-Frame DF11req stellvertretend auch für das Geräte-Frame DF12req dargestellt. Das Geräte-Frame DF11req enthält im Ziel-Identifikationsfeld die Geräteidentifikation DevicelD-11. Im Kontroll- und Status-Feld ist das Geräte-Frame DF11req als Anforderung ausgewiesen. In den als Antwort gesendeten Ethernet-Frames DF11 resp und DF12resp der Endgeräte 11 und 12 ist im jeweiligen Ziel-Identifikationsfeld die Geräteidentifikation ControllerID des Kontrollgeräts 1 eingetragen. Im Kontroll-und-Status-Feld sind die Geräte-Frames DF11 resp und DF12resp und damit das jeweilige Ethernet-Frame als Antwort kenntlich gemacht. Der jeweilige Nutzdatenbereich DFD enthält die Nutzdaten data11 und data12 des jeweiligen Endgeräts.
  • Das erfindungsgemäße Ethernet-Frame EF ermöglicht auch eine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten innerhalb der jeweiligen logischen Gruppe Gr1 und Gr2, was in den 4 und 5 durch die in Strichlinie eingezeichneten Verbindungen angedeutet werden soll. Die Ethernet-Antwort-Frames der Endgeräte erhalten alle Netzwerkkomponenten, jedenfalls in Ausführungen, in denen der Verteiler 3 eine Filterung nicht vornimmt. Benötigt beispielsweise das Endgerät 12 Nutzdaten des Endgeräts 11, so erkennt es im Ethernet-Antwort-Frame EF11 des Endgeräts 11 dessen Geräteidentifikation im Quellen-Identifikationsfeld SourcelD und kann die Nutzdaten des Endgeräts 11 direkt lesen und verarbeiten. Voraussetzung für die direkte Datenkommunikation ist, dass wenigstens eines der Endgeräte in Bezug auf seine Hardware und Software so eingerichtet ist, dass es die jeweilige Geräteidentifikation eines oder mehrerer anderer Endgeräte als relevant erkennen und die damit erhaltenen Nutzdaten verarbeiten kann. Im Beispiel muss das Endgerät 12 zur Verarbeitung nicht nur der Ethernet-Frames des Kontrollgeräts 1, sondern auch der Ethernet-Frames des Endgeräts 11 eingerichtet sein. Ist das Endgerät 11 ein Sensor, beispielsweise ein Temperatursensor, und das Endgerät 12 ein Aktor mit einer Steuerung oder Regelung, beispielsweise ein Thermostat, kann auf diese Weise das Endgerät 12 unmittelbar unter Verwendung der vom Endgerät 11 direkt empfangenen Messdaten gesteuert oder geregelt werden. Hierdurch werden das Kontrollgerät 1 und der Netzwerkbetrieb entlastet. Das genannte Paar aus Thermostat und Temperatursensor ist nur beispielhaft. In gleicher Weise können eine Motorsteuerung und ein Geschwindigkeitsgeber und/oder ein Positionsgeber oder auch ein Steuerventil und ein Volumenstromsensor und/oder Füllstandsensor Bestandteile einer logischen Gruppe sein und entweder über das Kontrollgerät oder auf der logischen Ebene direkt miteinander kommunizieren.
  • 8 zeigt das Netzwerk der 4 und 5 einschließlich der Unterteilung in die logischen Gruppen Gr1 und Gr2, deutet aber zusätzlich an, dass eine direkte Kommunikation zwischen Endgeräten auch gruppenübergreifend durchgeführt werden kann. Ein mit ausreichender Intelligenz ausgestattetes Endgerät, beispielsweise das Endgerät 12, der logischen Gruppe Gr1 kann hierzu ein Ethernet-Frame erzeugen und dieses Ethernet-Frame im Gruppenidentifikationsfeld GroupID als Broadcast ausweisen. In dem einen oder den mehreren Geräte-Frames für das oder die anderen Endgeräte, von dem oder von denen Antworten angefordert werden, trägt das Endgerät 12 die jeweilige Geräteidentifikation im zugeordneten Geräte-Frame ein. Das jeweilige Endgerät, das auf diese Weise angefordert wird, sendet selbst ein Ethernet-Frame als Broadcast im GroupID-Feld und trägt in dem oder den für das anfordernde Endgerät 12 bestimmten Geräte-Frame(s) die Geräteidentifikation des Endgeräts 12 ein. Im SourcelD-Feld trägt es seine eigene Geräteidentifikation ein. Für die gruppenübergreifende Datenkommunikation verfügt das anfordernde Endgerät selbst über Fähigkeiten eines Kontrollgeräts. indem es in das Gruppen-Identifikationsfeld und das jeweilige Ziel-Identifikationsfeld schreiben kann. Zweckmäßigerweise kann das betreffende Endgerät auch noch das Anforderung/Antwort-Bit auf Request setzen, um das vom ihm gesendete Ethernet-Frame als Anforderung zu kennzeichnen.
  • In den geschilderten Fällen der gruppeninternen Direktkommunikation und der gruppenübergreifenden Direktkommunikation wird das Kontrollgerät 1 nicht unumgänglich benötigt, „hört“ aber mit. Aufgrund des Mithörens kann das Kontrollgerät 1 in der jeweiligen Direktkommunikation eine Diagnosefunktion erfüllen.

Claims (17)

  1. Ethernet-Frame zur Datenkommunikation in einem Netzwerk mit einem Kontrollgerät (1) und mehreren mit dem Kontrollgerät (1) verbundenen Endgeräten (11-14), das Ethernet-Frame (EF) umfassend: 1.1 einen Ethernet-Frame-Header (EFH) und ein Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD); 1.2 mehrere im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthaltene Geräte-Frames (DF11 - DF14), die einem oder mehreren der Endgeräte (11-14) zugeordnet sind; 1.3 wobei die Geräte-Frames (DF11 - DF14) jeweils ein Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) mit zu verarbeitenden Nutzdaten und einen Geräte-Frame-Header (DFH) mit einem Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) zur Identifizierung eines Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) aufweisen; und 1.4 ein Zwischenlevel-Frame (LF), das im Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) enthalten ist, vorzugsweise das Ethernet-Frame-Datenfeld (EFD) bildet; wobei 1.5 das Zwischenlevel-Frame (LF) ein Zwischenlevel-Frame-Datenfeld (LFD) mit den mehreren Geräte-Frames (DF11 - DF14) und 1.6 einen für die Geräte-Frames (DF11 - DF14) gemeinsamen Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) mit einem Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zur Identifizierung eines Senders des Ethernet-Frames (EF) aufweist.
  2. Ethernet-Frame nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) mit einer Gruppenidentifikation (Gr1, Gr2) enthält, die die im Zwischenlevel-Frame (LF) enthaltenen Geräte-Frames (DF11 - DF14) als Geräte-Frames einer zusammengehörenden Gruppe von Endgeräten identifiziert, so dass die Endgeräte (11-14) durch Zuteilung jeweils einer bestimmten Gruppenidentifikation in unterschiedliche logische Gruppen von Endgeräten einteilbar sind.
  3. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und wenigstens einem der folgenden Merkmale 3.1 bis 3.3: 3.1 das Zwischenlevel-Frame enthält ein CRC-Prüffeld (IfhCRC) zur Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH); und/oder 3.2 das Geräte-Frame (DF) enthält ein CRC-Prüffeld (dfhCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers (DFH); und/oder 3.3 das Geräte-Frame (DF) enthält ein CRC-Prüffeld (dfdCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD).
  4. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Safety-Wert enthält und der Safety-Wert dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame (DF11-DF14) für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält.
  5. Ethernet-Frame nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Anforderung/Antwort-Wert enthält und der Anforderung/Antwort-Wert dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame eine Anforderung zum Senden von Nutzdaten ist oder die im Geräte-Frame-Datenfeld des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) enthaltenen Nutzdaten in Reaktion auf eine Anforderung gesendet werden.
  6. Ethernet-fähiges Netzwerk wenigstens mit folgenden Netzwerkkomponenten, die zur Datenkommunikation in Form von Ethernet-Frames (EF) nach einem der vorhergehenden Ansprüche jeweils in Kombination mit Anspruch 2 eingerichtet sind: 6.1 ein Kontrollgerät (1); 6.2 optional einen oder mehrere Verteiler (3); 6.3 ein erstes Endgerät (11) und ein zweites Endgerät (12), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3), und denen eine erste Gruppenidentifikation (Gr1) zugeteilt ist, so dass sie einer ersten logischen Gruppe angehören, und die durch die Zuteilung der ersten Gruppenidentifikation (Gr1) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) ausweist; 6.4 ein drittes Endgerät (13) und ein viertes Endgerät (14), die mit dem Kontrollgerät (1) verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren optionalen Verteiler (3), und denen eine zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugeteilt ist, so dass sie einer zweiten logischen Gruppe angehören, und die durch die Zuteilung der zweiten Gruppenidentifikation (Gr2) dazu eingerichtet sind, Daten der Geräte-Frame-Datenfelder (DFD) zu verarbeiten, wenn das Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) eine andere, zweite Gruppenidentifikation (Gr2) ausweist; 6.5 wobei der oder die Verteiler (3), falls vorhanden, dazu eingerichtet ist oder sind, das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) an die Endgeräte (11-14) der ersten logischen Gruppe nur weiterzuleiten, wenn die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder ein Broadcast im Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) ausgewiesen ist, und das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) an die Endgeräte (11-14) der zweiten logischen Gruppe nur weiterzuleiten, wenn die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) oder ein Broadcast im Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) ausgewiesen ist; und/oder 6.6 die Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF1) die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder ein Broadcast ausgewiesen ist, und die Endgeräte (13, 14) der zweiten logischen Gruppe dazu eingerichtet sind, die Nutzdaten der Geräte-Frames (DF) nur zu verarbeiten, wenn im Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF2) die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) oder ein Broadcast ausgewiesen ist.
  7. Ethernet-fähiges Netzwerk nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, in das Gruppen-Identifikationsfeld (Group ID) des jeweiligen Ethernet-Frames (EF1, EF2) wahlweise die erste Gruppenidentifikation (Gr1) oder die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zu schreiben.
  8. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) jeweils eine Geräteidentifikation haben und der jeweilige Geräte-Frame-Header (DFH) im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) die Geräteidentifikation eines Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14), beispielsweise eine CRC-Signatur einer MAC-Adresse eines der Endgeräte (11-14) oder des Kontrollgeräts (1), und das jeweilige Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) Nutzdaten für den im Ziel-Identifikationsfeld identifizierten Adressaten (1, 11, 12, 13, 14) enthalten, und wobei das Kontrollgerät (1) und vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät (11-14) dazu eingerichtet ist/sind, die Geräteidentifikation des Adressaten im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) zu lesen und/oder in das Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) zu schreiben.
  9. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) jeweils eine Geräteidentifikation haben und der Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) die Geräteidentifikation des Senders des jeweiligen Ethernet-Frames (EF) enthält, und wobei das Kontrollgerät (1) und vorzugsweise auch das jeweilige Endgerät (11-14) dazu eingerichtet ist/sind, die Geräteidentifikation des Senders im Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zu lesen und/oder die eigene Geräteidentifikation in das Quellen-Identifikationsfeld (SourcelD) zu schreiben.
  10. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die erste Gruppenidentifikation (Gr1) nur Endgeräten (11, 12) zugeteilt ist, die die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen, und die zweite Gruppenidentifikation (Gr2) einem oder mehreren oder nur Endgeräten (13, 14) zugeteilt ist, die die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nicht erfüllen, so dass das Netzwerk aufgrund der Zuteilung der Gruppenidentifikationen (Gr1, Gr2) in Netzwerkbereiche unterschiedlicher funktionaler Sicherheit unterteilt ist.
  11. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Kontroll-und-Status-Feld (CTR & Status) mit einem Safety-Wert enthält, der dem Adressaten des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) mitteilt, ob das jeweilige Geräte-Frame (DF11-DF14) für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält, und wobei wenigstens das erste Endgerät (11) die Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt und dazu eingerichtet ist, ein an das erste Endgerät (11) adressiertes Geräte-Frame (DF11) nur dann zu verarbeiten, wenn der Safety-Wert des jeweiligen, dem ersten Endgerät (11) zugeordneten Geräte-Frames (DF11 anzeigt, dass dieses Geräte-Frame für die funktionale Sicherheit relevante Nutzdaten enthält.
  12. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei 12.1 das Zwischenlevel-Frame ein CRC-Prüffeld (IfhCRC) zur Absicherung des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) und/oder das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfhCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Headers (DFH) und/oder das Geräte-Frame (DF) ein CRC-Prüffeld (dfdCRC) zur Absicherung des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält/enthalten; 12.2 der Geräte-Frame-Header (DFH) des jeweiligen Geräte-Frames (DF11 - DF14) ein Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) zum Anzeigen des Feststellens eines Fehlers in den Daten des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) und/oder des Geräte-Frame-Headers (DFH) und/oder des Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) enthält; und 12.3 das Kontrollgerät (1) dazu eingerichtet ist, ein Ethernet-Frame (EF) mit einer Anforderung einer Antwort in einem oder mehreren der Geräte-Frames (DF) zu senden, und 12.4 eines oder mehrere der Endgeräte (11-14) dazu eingerichtet ist oder sind, - die Datenintegrität des Zwischenlevel-Frame-Headers (LFH) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (IfhCRC) für den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) und/oder die Datenintegrität des jeweils zugeordneten Geräte-Frame-Headers (DFH) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (dfhCRC) für den Geräte-Frame-Header (DFH) und/oder die Datenintegrität des jeweils zugeordneten Geräte-Frame-Datenfelds (DFD) anhand des Inhalts des CRC-Prüffelds (dfdCRC) für das Geräte-Frame-Datenfeld (DFD) zu prüfen, - bei Feststellung eines Datenfehlers im Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) einen Fehlerwert zu setzen, und - ein Ethernet-Frame (EF), das den Fehlerwert im Fehlerstatusfeld (DataCRCErr) enthält, als Antwort an das Kontrollgerät (1) zu senden.
  13. Ethernet-fähiges Netzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das Kontrollgerät (1) und die Endgeräte (11-14) Feldgeräte sind und die Datenkommunikation im Netzwerk auf der Feldebene erfolgt.
  14. Verfahren zur Datenkommunikation in einem Ethernet-fähigen Netzwerk, in dem Netzwerkkomponenten umfassend ein Kontrollgerät (1), mehrere Endgeräte (11-14) und optional einen oder mehrere Verteiler (3) für die Datenkommunikation miteinander verbunden sind, vorzugsweise über den einen oder die mehreren Verteiler (3), bei dem 14.1 die Netzwerkkomponenten (1, 3, 11-14) für einen Datenaustausch in Form von Ethernet-Frames (EF1, EF2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche jeweils in Kombination mit Anspruch 2 eingerichtet sind; 14.2 die Endgeräte (11-14) in eine erste logische Gruppe von Endgeräten (11, 12) und eine zweite logische Gruppe von Endgeräten (13, 14) gruppiert werden, indem 14.3 den Endgeräten (11, 12) der ersten logischen Gruppe eine gemeinsame erste Gruppenidentifikation (Gr1) und den Endgeräten (13, 14) der zweiten logischen Gruppe eine andere, gemeinsame zweite Gruppenidentifikation (Gr2) zugewiesen wird; 14.4 eine Netzwerkkomponente, vorzugsweise das Kontrollgerät (1), die erste Gruppenidentifikation (Gr1) in den Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) eines ersten Ethernet-Frames (EF1) schreibt und das erste Ethernet-Frame (EF1) in einem ersten Zyklus (T1) der Datenkommunikation an die Endgeräte (11-14) sendet; 14.5 das jeweilige Endgerät (11, 12) der ersten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld (GroupID) des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als die ihm zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und das eine oder die mehreren Geräte-Frames, das oder die dem jeweiligen Endgerät durch die Geräteidentifikation im Ziel-Identifikationsfeld (DestinationID) des jeweiligen Geräte-Frames zugeordnet ist/sind, verarbeitet; und bei dem 14.6 das jeweilige Endgerät (13,14) der zweiten logischen Gruppe das Gruppen-Identifikationsfeld des ersten Ethernet-Frames (EF1) liest, die darin enthaltene Bitfolge als eine ihm nicht zugewiesene Gruppenidentifikation (Gr1) erkennt und deshalb das erste Ethernet-Frame (EF1) nicht verarbeitet.
  15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem 15.1 eines oder mehrere der Geräte-Frames des ersten Ethernet-Frames (EF1) eine Anforderung (Request) zum Senden von Nutzdaten enthält oder jeweils enthalten; 15.2 das jeweilige Endgerät (11, 12) der ersten logischen Gruppe, dem im ersten Ethernet-Frame (EF1) ein oder mehrere Geräte-Frames mit einer Anforderung zugeordnet ist/sind, die angeforderten Nutzdaten in das jeweilige die Anforderung enthaltende, zugeordnete Geräte-Frame schreibt und 15.3 ein Ethernet-Frame (EF11, EF12) mit seinen Nutzdaten als Antwort an die anfordernde Netzwerkkomponente (1) sendet; und 15.4 der erste Zyklus (T1) erst beendet ist, wenn jedes der Endgeräte (11, 12) der ersten logischen Gruppe, für die das erste Ethernet-Frame (EF1) ein oder mehrere zugeordnete Geräte-Frames mit einer Anforderung (Request) enthält, jeweils ein Ethernet-Frame (EF11, EF12) als Antwort gesendet hat.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 und 15, bei dem 16.1 das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) im Zwischenlevel-Frame-Header (LFH) ein Ethernet-Frame-Zählfeld (MsgCnt) mit einer Ethernet-Frame-Nummer enthätt, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend gesendeter Ethernet-Frames (EF1, EF2) die Stellung des jeweiligen Ethernet-Frames angibt; und 16.2 das Kontrollgerät (1) die Ethernet-Frame-Nummer für das jeweils als nächstes zu sendende Ethernet-Frame (EF1, EF2) inkrementiert, 16.3 während die Ethernet-Frame-Nummer durch die Endgeräte (11-14) nicht veränderbar ist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem 17.1 Das jeweilige Ethernet-Frame (EF1, EF2) im Geräte-Frame-Header (DFH) ein Geräte-Frame-Zählfeld (seqCnt) mit einer Geräte-Frame-Nummer enthält, die in einer Sequenz zeitlich aufeinander folgend an das gleiche Endgerät adressierter Geräte-Frames (DF) die Stellung des jeweiligen Geräte-Frames (DF) angibt; 17.2 das Kontrollgerät (1) die Geräte-Frame-Nummer für das als nächstes an das gleiche Endgerät zu sendende Geräte-Frame (DF) inkrementiert; und 17.3 das jeweilige Endgerät (11-14) die Geräte-Frame-Nummer liest und umformt, beispielsweise invertiert, und die umgeformte Geräte-Frame-Nummer in das Geräte-Frame-Zählfeld (seqCnt) des als nächstes an das Kontrollgerät (1) zu sendenden Geräte-Frames (DF) schreibt.
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