DE19513316A1 - Segmentierbares Ethernet-Bussystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein segmentierbares Ethernet-Bussystem zur redundanten Vernetzung von Single-Port-Stationen.

Es ist allgemein bekannt, redundant vernetzbare Stationen mit einer entsprechenden Anzahl Netzschnittstellen in Form von Netzwerkadaptern auszustatten. Dabei besteht grundsätzlich das Problem, daß sogenannte Single-Port-Stationen Geräte und Einrichtungen umfassen, die aufgrund ihrer physischen und/oder logischen Architektur zur Aufnahme und/oder Einbindung von zwei oder mehr für sich bekannten Netzwerkadaptern ohne Eingriffe in standardisierte Schnittstellen ungeeignet sind.

Aus dem Prospekt "MultiNet Modular Multi-Media Networking" der Firma LANNET DATA COMMUNICATIONS LTD. ist bekannt, Single-Port-Stationen über redundante Transceiver, die über Sternkoppler miteinander verbunden sind, zu vernetzen. Diese Vernetzungsart ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die im wesentlichen darin bestehen, daß als Netzwerktopologie zwingend Sternstruktur vorgegeben ist, die Übertragungsmedien auf Twisted-Pair und Glasfaser beschränkt sind und neben der redundanten Verkabelung weitere Einrichtungen wie Sternkoppler und deren Zubehör redundant auszuführen sind. Insbesondere in umfangreichen, räumlich verteilten dezentralen Netzwerken wird der mediale Aufwand für die Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen störend. Darüber hinaus stellt das verwendete synchrone Übertragungsverfahren eine einschränkende Abweichung von dem für sich standardisierten Ethernet dar, so daß eine bedarfsgerechte Skalierung des Netzwerkes zwingend hersteller- und produktgebunden ist. Dabei wird ein in datenfreien Übertragungsperioden gesendetes Ruhesignal als Kennzeichen für einen funktionsfähigen aktuellen Übertragungskanal angenommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ethernet-Bussystem zur redundanten Vernetzung von Single-Port-Stationen anzugeben, das medien- und topologieunabhängig sowie vollständig standardkonform ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitergehende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines redundanten Bussystems mit angeschlossenen Single-Port-Stationen,

Fig. 2 eine Darstellung einer komplexen Netzwerktopologie bestehend aus mehreren Segmenten,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Beobachtungseinrichtung mit integriertem Multiplexer.

Gemäß Fig. 1 sind für ein Segment 1 eines Ethernet-Bussystems zur redundanten Vernetzung von Single-Port-Stationen 2, die einen Kommunikationsport 21 und einen Steuerausgang 22 aufweisen, n Linien 11 bis 1n vorgesehen, die zumindest teilsegmentweise parallelgeordnet sind. Jede der Linien 11 bis 1n ist physisch ein Segment 1 eines für sich bekannten Ethernet-Busses gemäß den Spezifikationen des IEEE 802.3-Standards und als solche segmentübergreifend und topologieunabhängig erweiterbar und verbindbar.

Zum Anschluß der Single-Port-Stationen 2 an die n Linien 11 bis 1n sind Multiplexer 3 mit einem gemultiplexten Port 31, n Linienports 331 bis 33n und einem Steuereingang 32 vorgesehen, die geeignet sind, den mit dem Kommunikationsport 21 der Single-Port-Station 2 verbundenen gemultiplexten Port 31 vorgebbar mit jeweils einer der an den Linienports 331 bis 33n angeschlossenen Linien 11 bis 1n des Segmentes 1 des Ethernet-Bussystems zu verbinden. Die Multiplexer 3 sind adressierbar und als solche logische Netzteilnehmer, die durch mindestens eine adressierbare Beobachtungseinrichtung 4 in demselben Segment 1, die gleichwohl logischer Netzteilnehmer ist, steuerbar sind.

Die Multiplexer 3 bestehen logisch aus einer Umschalteinrichtung und einer Umschaltsteuereinrichtung, wobei die Umschaltsteuereinrichtung physisch ein integraler Bestandteil der zugehörigen Single-Port-Station 2 ist. Dabei ist der physische Steuerausgang 22 der Single-Port-Station 2 logisch Ausgang der Umschaltsteuereinrichtung des Multiplexers 3. Die Umschalteinrichtung und die Umschaltsteuereinrichtung sind logisch der Übertragungsstrecke zugeordnet. Das bedeutet, daß die Multiplexer 31 und 32 und die redundanten Linien 11 bis 1n sowohl für auf den Single-Port-Stationen 2 ablaufenden Applikationen als auch für das logische Netzwerk-Management völlig transparent sind.

In jedem Segment 1 ist zumindest eine Beobachtungseinrichtung 4 vorgesehen. Die Beobachtungseinrichtung 4 weist zumindest n Linienports 431 bis 43n auf, die mit jeweils einer der Linien 11 bis 1n des zugehörigen Segmentes 1 verbunden sind.

Während der Initialisierung wird durch die Beobachtungseinrichtung 4 die Übertragungsgüte auf den Linien 11 bis 1n bewertet und einer der Linien 11 bis 1n, deren Übertragungsgüte eine vorgegebene Schranke übersteigt, als aktive Linie zur Datenübertragung zwischen den Single-Port-Stationen 20 vorgegeben. Die anderen Linien werden als Ersatzlinien bestimmt. Zur Bestimmung der Übertragungsgüte sendet die Beobachtungseinrichtung 4 Informationstelegramme unter Selbstadressierung nacheinander auf allen Linien 11 bis 1n des Segmentes 1 und wertet die empfangenen Informationstelegramme aus. Zur Ermittlung der Übertragungsgüte wird mindestens die Anzahl der übertragenden Informationseinheiten je Zeiteinheit, die Anzahl der Kollisionen pro Zeiteinheit, die Anzahl der Wiederholungen bei der Übertragung einer Informationseinheit oder der Fortbestand der Verbindung zwischen zwei Multiplexern 31, 32 oder der Beobachtungseinrichtung 4 und einem Multiplexer 31, 32 erfaßt.

Diese Vorgabe wird unter Adressierung aller Multiplexer 3 des Segmentes 1 nacheinander auf allen Linien 11 bis 1n über das Bussystem versandt. Unabhängig von der zufälligen Stellung der Umschalteinrichtung jedes Multiplexer 3 erreicht die Vorgabe der Beobachtungseinrichtung 4 über die aktive Linie jede Umschaltsteuereinrichtung jedes Multiplexers 3. Basierend auf dieser Vorgabe verbinden alle Multiplexer 3 des Segmentes 1 ihren gemultiplexten Port 31 mit dem zur vorgegebenen aktiven Linie gehörenden Linienport 331 bis 33n.

Während des laufenden Betriebes wird die Übertragungsgüte auf den Linien 11 bis 1n ständig überwacht. Sinkt die Übertragungsgüte auf der aktiven Linie unter eine vorgegebene Schranke, wird eine Ersatzlinie zur aktiven Linie bestimmt. Die Beobachtungseinrichtung 4 versendet unter Adressierung aller Multiplexer 3 des Segmentes 1 die Vorgabe der aktuellen aktiven Linie, infolgedessen alle Multiplexer 3 des Segmentes 1 ihren gemultiplexten Port 31 mit dem zur vorgegebenen aktiven Linie gehörenden Linienport 331 bis 33n verbinden.

Die angeschlossenen Single-Port-Stationen 2 umfassen sowohl Datenendgeräte als auch Mittel zur Verbindung weiterer Segmente beliebiger Topologie desselben Bussystems, wie Bridges, Routers, Hubs oder Fan-Out- Units. Darüber hinaus sind redundante Segmente 1 des Ethernet-Bussystems linienweise bridgebar.

Dazu ist in Fig. 2 eine aus mehreren Segmenten 1 mit jeweils zwei Linien bestehende Netzwerktopologie dargestellt. In jedem Segment 1 ist mindestens eine Single-Port-Station 2 angeordnet, die über einen Multiplexer 3 an die beiden Linien 11 und 12 des jeweiligen Segmentes 1 angeschlossen sind. Darüber hinaus ist in jedem Segment 1 eine Beobachtungseinrichtung 4 vorgesehen, die an die beiden Linien 11 und 12 des jeweiligen Segmentes 1 angeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Ethernet-Bussystem gestattet, redundante Segmente 1 linienweise zu bridgen. Dazu sind Bridges 6 vorgesehen, die jeweils eine Linie 11 oder 12 eines Segmentes 1 mit einer Linie 11 oder 12 eines benachbarten Segmentes 1 verbinden. Die Linien 11 und 12 des jeweiligen Segmentes 1 bleiben dabei logisch und physisch separate Einheiten, die hinsichtlich des auf ihnen übertragenen Informationsflusses gekoppelt sind. Zum vollständig redundanten Segmentbridging ist jeder Bridge 6 ein Multiplexer 3 zugeordnet, der, wie im folgenden zur Backboneanschaltung beschrieben wird, angeordnet ist.

Weiterhin gestattet das erfindungsgemäße Ethernet-Bussystem, eine Mehrzahl von Segmenten 1 über eine Backbone 5 zu verbinden. In Fig. 2 ist eine redundant ausgeführte Backbone 5 mit zwei Backbonelinien 51 und 52 dargestellt. Zur vollständig redundanten Ankopplung eines Segmentes 1 an die Backbone 5 sind zwei Bridges 6 und zwei Multiplexer 3 vorgesehen, wobei jeder Bridge 6 ein Multiplexer 3 zugeordnet ist. Die Linienports 331 und 332 jedes Multiplexers 3 sind jeweils mit einer der Linien 11 und 12 des Segmentes 1 verbunden. Jede Bridge 6 ist zwischen eine der Backbonelinien 51 und 52 und den gemultiplexten Port 31 des zugehörigen Multiplexers 3 geschaltet. Auf diese Weise ist jede Linie 11 und 12 des angeschlossenen Segmentes 1 mit jeder Backbonelinie 51 und 52 der Backbone 5 verbindbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Beobachtungseinrichtungen 4 verkoppelter Segmente 1 mit einem Steuerausgang 42 versehen. Dieser Steuerausgang 42 ist mit den Steuereingängen 32 derjenigen Multiplexer 3 verbunden, die an eine Bridge 6 angeschlossen sind. Die Umschaltsteuereinrichtung des Multiplexers 3 ist dabei physisch integraler Bestandteil der zugeordneten Beobachtungseinrichtung 4. Da Bridges 6 zur Verbindung von Segmenten 1 regelmäßig räumlich unmittelbar benachbart sind, sind die den Bridges 6 zugeordneten Multiplexer 3 gemeinsam durch eine einzige derartige Beobachtungseinrichtung 4 steuerbar.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Beobachtungseinrichtung 4 gemäß Fig. 3 zum Anschluß peripherer Einrichtungen 7 mit einem Multiplexer 3 ausgestattet. Dabei ist die periphere Einrichtung 7 an den gemultiplexten Port 31 des Multiplexers 3 angeschlossen. Die Linienports 331 und 332 des Multiplexers 3 sind mit den Linienports 431 und 432 der Beobachtungseinrichtung 4 und den Linien 11 und 12 des angeschlossenen Segmentes 1 verbunden. Darüber hinaus ist der Steuereingang 32 des Multiplexers 3 intern mit dem Steuerausgang 42 der Beobachtungseinrichtung 4 verbunden. Die periphere Einrichtung 7 umfaßt dabei alle an den gemultiplexten Port 31 des Multiplexers 3 anschaltbaren Einrichtungen, wie beispielsweise Hubs, Bridges 6, Routers, Single-Port-Stationen 2 und Fan-Out- Units. Auf diese Weise ist der wahlfreie Übergang sowohl zu verschiedenen Netzwerktopologien in redundanter und nichtredundanter Ausführung als auch zu ethernetfremden Systemen ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Linie 11 des Segmentes 1 als Primärbus bestimmt. Der Primärbus ist die Vorzugslinie des Segmentes 1, an der alle Stationen direkt oder über Multiplexer 3 angeschlossen sind. Alle anderen n-1 Linien 12 bis 1n werden als Ersatzbusse bestimmt.

Bei ungestörtem Datenverkehr werden Dateninformationen zwischen den Stationen über den Primärbus 11 als aktivem Bus ausgetauscht. Dazu ist in allen Multiplexern 3 des Segmentes 1 der gemultiplexte Port 31 mit der Vorzugslinie verbunden. Darüber hinaus werden Steuerinformationen zwischen den Beobachtungseinrichtungen 4 über mindestens einen vorgebbaren Bus ausgetauscht. Dazu sind vorteilhafterweise mindestens zwei Beobachtungseinrichtungen 4 vorgesehen, die vorzugsweise an den physischen Enden der Buslinien 11 bis 1n angeschlossen sind. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung werden dabei sowohl alle Ersatzbusse 12 bis 1n als auch der Primärbus 11 zyklisch zur Übertragung von Steuerinformationen vorgegeben. Dabei wird ständig die Übertragungsgüte auf dem vorgegebenen Bus überwacht.

Sinkt die Übertragungsgüte auf dem aktiven Bus unter eine vorgebbare Schranke, wird ein vorgegebener Ersatzbus zum aktiven Bus bestimmt, eine Fehlermeldung an eine übergeordnete Instanz abgesetzt und der deaktivierte Bus analysiert. In hierarchisch strukturierten Segmenten, bei denen sich die parallelen Linien 11 bis 1n durch die Anzahl der angeschlossenen Stationen unterscheiden, wird vorzugsweise die nächst höhere Hierarchieebene als Ersatzbus vorgegeben.

Ist der aktive Bus der Primärbus 11, wird bei sinkender Übertragungsgüte auf dem aktiven Bus auf die Linie 12 als Ersatzbus umgeschaltet. Sinkt nunmehr auch auf der Linie 12 als aktivem Bus die Übertragungsgüte unter die vorgegebene Schranke, wird die nächste Linie bis hin zur Linie 1n zum aktiven Bus bestimmt.

Übersteigt die Übertragungsgüte auf den Primärbus 11 eine vorgebbare Schranke, wird der Primärbus 11 zum aktiven Bus rückbestimmt. Übersteigt die Übertragungsgüte eines deaktivierten Ersatzbusses auf niedrigerer Hierarchieebene gegenüber dem aktiven Bus die vorgebbare Schranke, wird der deaktivierte Ersatzbus reaktiviert und zum aktiven Bus rückbestimmt.

Durch die Vorgabe einer Vorzugslinie als Primärbus, der immer dann zum aktiven Bus bestimmt wird, wenn die Übertragungsgüte oberhalb der vorgegebenen Schranke dies zuläßt, ist es möglich, nichtredundant anschließbare Stationen und redundant angeschlossene Stationen an demselben redundanten Segment 1 zu betreiben und für jede angeschlossene Station entsprechend ihrer hierarchischen Anschlußcharakteristik einen höchstverfügbaren Übertragungsweg zur Verfügung zu stellen. Dabei sind nichtredundant anschließbare Stationen nur an die Vorzugslinie angeschlossen.

In besonders vorteilhafter Weise ist die Redundanz des Segmentes 1 skalierbar und an den Verfügbarkeitsbedarf der angeschlossenen Stationen anpaßbar. Dadurch sind nachträgliche Redundanzergänzungen in bestehenden Bussystemen, ohne in den Ablauf der Buszuweisungen eingreifen zu müssen, möglich.

Bezugszeichenliste

1 Segment
2 Single-Port-Station
3 Multiplexer
4 Beobachtungseinrichtung
5 Backbone
6 Bridge
7 periphere Einrichtung
11-1n Linien
21 Kommunikationsport
22 Steuerausgang
31 gemultiplexter Port
32 Steuereingang
42 Steuerausgang
51+52 Backbone-Linien
331-33n Linienports
431-43n Linienports.

Claims (10)

1. Segmentierbares Ethernet-Bussystem mit n < 1 Buslinien zur redundanten Vernetzung von Single-Port-Stationen mit einem Steuerausgang und einem Kommunikationsport,
dadurch gekennzeichnet,
daß bidirektionale Multiplexer (3) mit einem gemultiplexten Port (31) und n Linien-Ports (331 bis 33n) und einem Steuereingang (32) vorgesehen sind,
daß mindestens eine Beobachtungseinrichtung (4) mit n Linien-Ports (431 bis 43n), die an die n Buslinien (11 bis 1n) eines Ethernet-Segmentes (1) angeschlossen sind, vorgesehen ist,
daß jeder Single-Port-Station (2) ein Multiplexer (3) zugeordnet ist, wobei der Kommunikationsport (21) der Single-Port-Station (2) mit dem gemultiplexten Port (31) des Multiplexers (3) und der Steuerausgang (22) der Single-Port-Station (2) mit dem Steuereingang (32) des Multiplexers (3) verbunden sind und
daß die n Linien-Ports (331 bis 33n) jedes Multiplexers (3) an die n Buslinien (11 bis 1n) eines Ethernet-Segmentes (1) angeschlossen sind.

2. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (3) logisch aus einer Umschalteinrichtung und einer Umschaltsteuereinrichtung besteht.

3. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung und die Umschaltsteuereinrichtung logisch der Übertragungsstrecke zugeordnet sind.

4. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß redundante Segmente (1) eines Ethernet-Bussystems über Bridges (6) mit einem Backbonenetz (5) verbunden sind, wobei jede Bridge (6) segmentseitig über einen Multiplexer (3) an die n Buslinien (11 bis 1n) des zugeordneten Segmentes (1) angeschlossen ist,
daß mindestens eine Beobachtungseinrichtung (4) im Segment (1) mit einem Steuerausgang (42) ausgestattet ist und
daß der Steuerausgang (42) der Beobachtungseinrichtung (4) mit dem Steuereingang (32) mindestens eines mit einer Bridge (6) verbundenen Multiplexers (3) verbunden ist.

5. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Backbonenetz (5) redundant ausgeführt ist.

6. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der n Buslinien (11 bis 1n) jedes Segmentes (1) als Vorzugslinie vorgebbar ist.

7. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Initialisierung der gemultiplexte Port (31) des Multiplexers (3) mit der Vorzugslinie verbunden ist.

8. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtung (4) mit Mitteln zur Bewertung der Übertragungsgüte aller n Buslinien (11 bis 1n) und zur Weitergabe der daraus ableitbaren Steuerinformationen an die Single-Port-Stationen (2) ausgestattet ist.

9. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Single-Port-Station (2) Mittel zum Empfang und Umsetzung der Steuerinformationen in ein Schaltsignal zur Ausgabe an den Steuerausgang (22) aufweisen.

10. Segmentierbares Ethernet-Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtung (4) mit einem Multiplexer (3) zum wechselweisen Anschluß peripherer Einrichtungen (7) an eine der n Buslinien (11 bis 1n) ausgestattet ist.