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Hersteller
von Switches versuchen das beste Verhältnis zwischen guter
Bandbreitenverteilung und einfacher Umsetzung der Queuing-Strategien
zu finden. Prof. Dr. Bernhard G. Stütz und Dipl.-Ing.
Toralf Rungevon von der Fachhochschule Stralsund beschreiben in
ihrem Beitrag "REAL-TIME-CORE- UND -EDGE-SWITCHES Klassengesellschaft
im Netz – die Theorie" in network Computing vom 17.03.2004 den
Stand der Technik.
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Nach
dem Stand der Technik folgen die Queuing- oder Scheduling-Strategien
den Prinzipien:
- – einer fairen Verteilung
der Bandbreite auf die verschiedenen Serviceklassen. Dabei wird
auch die Bandbreite für besondere Dienste berücksichtigt,
so dass es zu bestimmten Gewichtungen bei der Fairness kommen kann.
- – Schutz zwischen den verschiedenen Serviceklassen.
Eine Serviceklasse mit geringer Priorität darf nicht Queues
anderer Serviceklassen beeinflussen.
- – nicht genutzte Bandbreite wird anderen Queues zur
Verfügung gestellt.
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Bekannte Queuing Strategien für
Switches:
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- – First-In First-Out (FIFO),
- – Stirct-Priority-Queuing (SPQ)
- – Stirct- und Rate-Controlled-Priority-Queuing (PQ),
- – Fair-Queuing (FQ),
- – Weighted-Fair-Queuing (WFQ),
- – Weighted-Round-Robin-Queuing (WRR), auch als Class-Based-Queuing
(CBQ) bezeichnet und
- – Deficit-Weighted-Round-Robin-Queuing (DWRR).
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Diese
bekannten Queuing Strategien von Switches werden in ihrem Verhalten
einerseits durch die First-In First-Out- und andererseits durch
die Stirct-Priority-Queuing Strategie abgegrenzt. Alle anderen bekannten
Verfahren stellen in ihrer Wirkung mehr oder weniger eine Mischung
dieser beiden Strategien dar.
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Betrachtungen
in der Automatisierung berücksichtigen immer den schlechtesten
Fall. Es nützt wenig best case Zeiten oder typische Zeiten
zu betrachten, wenn dann im Betrieb einer Anlage statistisch verteilt
Nachrichten später als im typischen Fall ihren Empfänger
erreichen und zum Maschinen- bzw. Anlagenstillstand oder Schäden
führen.
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1 zeigt
zwei Automatisierungsgeräte A1 und A2. Switch 1 ist über
Port 1 mit A1 verbunden und Switch 2 ist über Port 3 mit
A2 verbunden. Die Switches 1 und 2 sind über ihre jeweiligen
Ports 1 bzw. 3 miteinander verbunden. Automatisierungsgerät
A1 ist Sender des Automatisierungstelegramms. Automatisierungsgerät
A2 ist der adressierte Empfänger des Automatisierungstelegramms.
Zum dargestellten Zeitpunkt a) leitet Switch 1 ein beliebiges Nachrichtentelegramm,
empfangen an Port 2, über Port 3 an Switch 2 weiter. Bevor
das Automatisierungstelegramm in Switch 1 über Port 1 einläuft, empfängt
Switch 1 an Port 4 ein weiteres beliebiges Nachrichtentelegramm,
welches über Port 3 an Switch 2 weitertransportiert werden
muss.
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2 zeigt
als Fortsetzung von 1 in zeitlichen Ablaufschritten
a) bis e) den Nachrichtenverkehr nach der First-In First-Out (FIFO)
Queuingstrategie. Da beide Nachrichtentelegramme zeitlich vor dem
Automatisierungstelegramm Switch 1 erreichen, müssen sie
nach dem FIFO Prinzip auch vor dem Automatisierungsprotokoll weitergeleitet
werden.
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Switches,
die nach der First-In First-Out (FIFO) Strategie verfahren, sind
für die Automatisierung gänzlich untauglich, da
auf der abgebildeten Nachrichtenstrecke in 1 bzw. 2 beliebig
einlaufende Nachrichtentelegramme Automatisierungstelegramme verdrängen
können. Diese Verdrängungs- bzw. Verzögerungszeiten
lassen sich nur sehr schlecht abschätzen. Im Beispiel der 1 bzw. 2 wurde
modellhaft angenommen, dass nur jeweils ein Nachrichtentelegramm
zeitlich vor dem Automatisierungstelegramm in einen Switch einläuft, und
nur ein Nachrichtentelegramm sich im Speicher des Switches bzw.
in der Queue befindet. Es ist leicht nachvollziehbar, dass je nach
Speicherkapazität der verwendeten Switches die Verzögerung
der hochprioren Automatisierungstelegramme aufgrund zu langer Verweilzeit
im Netzwerk zu deren Verlust führen kann.
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Die
Priorisierung von Datenströmen ist heute entscheidend für
die effiziente Nutzung von Ethernetnetzwerken. Internet-Telefonie
(Voice over IP) wäre ohne Priorisierung nicht denkbar.
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IEEE
802.1p definiert ein Verfahren für die Priorisierung von
Daten auf dem OSI-Layer 2. Die dafür notwendigen Änderungen
im Header beschreibt IEEE 802.1Q. Switches lesen die jeweils zugeordnete
Priorisierung aus den Headern der Nachrichtenpakete aus.
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Im
MAC-Header nach IEEE 802.1Q befindet sich hierfür das Tag
Control Information (TCI) Feld. Im TCI sind drei Bits für
die User Priority (Class of Service) vorgesehen. Mit diesen drei
Bits lassen sich acht Werte (0 bis 7) abbilden. Null steht für
die geringste Priorität, Sieben für die höchste
Priorität.
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Jeder
Priorität ist eine Verkehrsklasse (traffic type) zugeordnet.
Z. B. ist die höchste Priorität (Wert 7) für
die Kontrolle und das Management des Netzwerks selbst reserviert.
Die zweithöchste Priorität (Wert 6) ist für
interactive voice (voice over IP) Anwendungen reserviert:
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Verkehrsklassen nach Priorität:
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- 1. Network Control; High requirement to get
through to maintain and support the network infrastructure
- 2. Voice; less than 10 millisecond delay
- 3. Video; less then 100 millisecond delay
- 4. Controlled Load; some important application
- 5. Excellent Effort; Best Effort for important users
- 6. Best Effort; ordinary LAN priority
- 7. Background; bulk transfers, games etc.
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Nach
der Stirct-Priority-Queuing Strategie werden alle einlaufenden Nachrichtentelegramme auf
ihre Priorität überprüft und in die entsprechenden Queues
eingeordnet. Erst wenn die Queue mit höchster Priorität
"geleert" ist, werden Queues niederer Priorität behandelt.
Hiermit wird sichergestellt, dass zeitlich früher eingelaufene
Nachrichtentelegramme mit niederer Priorität, welche sich
noch im Speicher des Switches (in der Queue) befinden, von einlaufenden
höher priorisierten Nachrichtentelegrammen "überholt"
werden. Grosser Nachteil dieser Queuingstrategie ist, dass Nachrichtentelegramme niederer
Priorität bei hohen Datenströmen von hochprioren
Nachrichtentelegrammen nicht mehr ihr Ziel erreichen.
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Würde
man entgegen den Festlegungen in der IEEE 802.1p/Q die höchsten
Prioritäten für Automatisierungstelegramme nutzen,
würden diese Telegramme im statistischen Mittel ihr Ziel
früher erreichen, als mit allen anderen oben aufgeführten
Queuing Strategien. Jedoch müssten sich dann die Automatisierungstelegramme
eine Priorität mit im Standard IEEE 802.1p/Q beschriebenen
Verkehrsklassen wie z. B. voice over IP teilen. Das Echtzeitverhalten ist
nur schlecht abschätzbar, da die von voice over IP beanspruchte
Bandbreite sehr stark schwankt.
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Würden
im Gegensatz zum Standard IEEE 802.1p/Q die Prioritätsklassen
zu Gunsten einer Automatisierungstelegrammklasse neu verteilt, müssten
spezielle Router die Automatisierungsinseln abschotten und die Prioritätsklassen
ständig allen ein- und auslaufenden Telegrammen neu zuordnen.
Eine Akzeptanz im Markt darf bezweifelt werden.
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Aufgabenstellung:
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein optimiertes Echtzeitkommunikationsverhalten
durch Koppeleinheiten in einem Ethernetnetzwerk zu erzeugen, wobei
Automatisierungstelegramme im Gegensatz zu allen anderen Telegrammen
exklusiv bevorzugt im Netzwerk transportiert werden.
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Die
Zeiten zur Nachrichtenübertragung müssen mindestens
mit hoher Qualität abschätzbar sein oder zeitlich
determiniert werden können.
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Dies
soll unabhängig von den Standards der achtstufige Priorisierung
auf ISO Layer-2 nach IEEE 802.1p/Q geschehen, da hier keine Verkehrsklassen für
Automatisierungstelegramme definiert sind und eine wider den Standard
gerichtete Nutzung von Verkehrsklassen im Markt wenig Akzeptanz
finden würde.
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Auch
soll eine exklusive Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen auf ISO
Layer-3 ermöglicht werden, wobei die Telegrammkennung im
IP Header oder UDP Header oder im TCP Header zu finden ist.
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Darüber
hinaus soll der Betrieb dieser Koppeleinheiten in isochronen Ethernetnetwerken,
wie z. B. Profinet IRT (siehe Profinet Systembeschreibung www.profibus.com),
ermöglicht werden.
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Prinzipielle Ausführung:
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Ein
System zur exklusiven Bevorzugung von Automatisierungstelegrammen
ist realisierbar, ohne dass nieder priorisierte Nachrichten unfair
unterdrückt werden. Im Gegensatz zu Anwendungen wie Interactive
Voice, Interactive Multimedia, Streaming Multimedia oder "normalem"
Internetverkehr ist die benötigte Bandbreite für
Automatisierungsvorhaben relativ genau planbar und über
die Zeit konstant. In der Automatisierung werden etwa 90% der Nachrichten
zyklisch mit konstanter Länge übertragen. Hieraus
lässt sich sehr genau die Netzlast in einem Netzwerk abschätzen.
Diese Erfahrung ist in über 15 Jahren Feldbusgeschichte
bestätigt worden. Profibus DP und Interbus S seien hier
beispielhaft als bekannte Standards genannt.
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Automatisierung
mit Ethernet funktioniert nicht anders. Das Master-Slave Prinzip
der Feldbustechnik wird in den meisten Philosophien durch ein Producer-Consumer
Prinzip abgelöst. Profinet ist wohl zurzeit der bekannteste
Standard, welcher auf diesem Prinzip aufbaut. Sensoren "publizieren"
(Producer) in festen Zeiten, welche einstellbar sind, ihre Daten
im Ethernetnetzwerk. Die Steuerungen oder Verarbeitungseinheiten
"konsumieren" als Empfänger diese Daten und "publizieren"
wiederum das Ergebnis ihrer Verarbeitung ins Netzwerk. Aktoren wie zum
Beispiel Antriebe "konsumieren" diese Ergebnisse und führen
entsprechende Funktionen aus. Dieser gesamte Ablauf kann sehr genau
geplant werden. Damit ist die beanspruchte Bandbreite für
Automatisierungstelegramme im Ethernet berechenbar.
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Werden
nun Automatisierungstelegramme exklusiv bevorzugt im Ethernetnetzwerk übertragen, ist
die verbleibende Bandbreite für den Standard Internetverkehr
ebenfalls relativ konstant und steht zuverlässig zur Verfügung.
Darüber hinaus kann die exklusive Bevorzugung von Automatisierungstelegrammen
mit o. g. Queuingstrategien nahezu rückwirkungsfrei kombiniert
bzw. überlagert werden. Wenn man von einer reduzierten
Bandbreite für den normalen Internetverkehr einmal absieht,
wird der priorisierte Nachrichtenverkehr, z. B. mit VLAN tag nach
IEEE 802.1p/Q, nicht beeinflusst. Vergleichbar ist dies mit einem
Netzwerk, das mit nur reduzierter Übertragungsfrequenz
arbeitet.
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Erfindungsgemäß ist
deshalb die Nutzung einer Telegrammkennung zwecks exklusiver Bevorzugung
von Automatisierungstelegrammen, welche nicht die nach IEEE 802.1p/Q
standardisierten Kennungen nutzt, vorteilhaft, da sie sich die Art
des bevorzugten Nachrichtentransports mit keiner anderen Klasse
teilen muss und nicht die Festlegung der Verkehrsklassen der Standards
verletzt.
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Wichtige
Kommunikationsstandards wie Profinet, Ethernet IP und Modbus TCP
sind eindeutig in ihren Protokollheadern gekennzeichnet. Z. B. sind Profinettelegramme
im Ethertype mit 8892 (hexadezimal) gekennzeichnet (siehe 3).
Normaler Internetverkehr dagegen trägt die Kennung 0800.
Darüber hinaus können Automatisierungstelegramme
im 12 Bit breiten VLAN-ID Feld des 4 Byte großen VLANs
individuell gekennzeichnet werden.
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Durch
Auswertung der in eine Koppeleinheit einlaufenden Telegramme lassen
sich Automatisierungstelegramme eindeutig identifizieren und damit exklusiv
bevorzugt weiterleiten. Die Bevorzugung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Automatisierungstelegramme mit höchster Priorität
weitergeleitet werden. Erst wenn die Queue der exklusiv zu bevorzugenden
Automatisierungstelegramme geleert wurde, werden Queues mit anderen
Nachrichtentelegrammen bearbeitet.
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Da
Automatisierungstelegramme getrennt von bandbreitenintensiven Verkehrklassen
nach IEEE 802.1p/Q wie z. B. voice over IP bearbeitet werden, wird
ein Mischbetrieb mit diesen Verkehrsklassen vermieden. Auch die
Manipulation bzw. ständige Übersetzung von Telegrammkennungen
durch Router ist im erfindungsgemäßen System nicht
notwendig. Alle anderen Verkehrsklassen lassen sich ungestört
mit der jeweils besten Queuing Strategie bearbeiten. Die Weiterentwicklung
von weiteren optimierten Queuing Strategien für den Internetverkehr
wird damit nicht behindert.
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In 4 ist
die erfindungsgemäße exklusive Bevorzugung von
Nachrichtentelegrammen in den Schritten a) bis d) dargestellt. Hier
sind n = 4 Koppeleinheiten beispielhaft, wie in der Industrieautomation üblich,
in einer Linie angeordnet. Automatisierungsgerät A1 möchte
ein Automatisierungstelegramm an Automatisierungsgerät
A2 absetzen. Im Unterschied zur FIFO Queuingstrategie werden jetzt
alle Nachrichtentelegramme, die sich noch in den Queues befinden
von Automatisierungstelegrammen in den Koppeleinheiten überholt.
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Beispiele:
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Unter
der realistischen Annahme, dass die Koppeleinheiten eine Durchlaufzeit
von td = 3 μsec (Cut-Through) besitzen
und unter Vernachlässigung der Signallaufzeiten auf den
Leitungen und des Interframe gap's ergibt sich für das
hochpriore Automatisierungstelegramm mit einer Gesamtlänge
von 64 Byte (Tk = ca. 5 μsec Laufzeit
bei 100 Mbit/sec) folgender Übertragungszeitplan:
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1. Bester Fall
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Das
Netzwerk ist nicht belastet. Alle Koppeleinheiten enthalten keine
zu versendenden Nachrichten.
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Das
hochpriore Telegramm durchläuft alle Koppeleinheiten praktisch
ohne Verzögerung: T = n × td + Tk = 4·3 μsec
+ 5 μsec = 17 μsecmit n = 32 Koppeleinheiten
in einer Linie ergibt sich: T = 32 × 3 μsec
+ 5 μsec = 101 μsec
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2. Ein schlechter Fall
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Alle
Koppeleinheiten versenden immer jeweils zeitlich kurz vor dem Eintreffen des
Automatisierungstelegramms niederpriore Nachrichtentelegramme mit
einer Länge von 1500 Byte (TL =
ca. 120 μsec bei 100 Mbit/sec).
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Dies
bedeutet, dass das Automatisierungstelegramm bis zu 120 μsec
pro Koppeleinheit verzögert werden kann. Mit n = 32 Koppeleinheiten
in einer Linie ergibt sich: T = n × td + Tk + n × TL = 101 μsec + 32 × 120 μsec
= 3941 μsec
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Dieses
Beispiel zeigt, dass die Transportzeit des hochprioren Automatisierungstelegramms
zwischen 101 μsec und 3821 μsec schwanken kann. Auch
wenn der schlechte Fall mit nur geringer Wahrscheinlichkeit eintritt,
muss in diesem Beispiel die Nachrichtentransportzeit mit ca. 4 Millisekunden
abgeschätzt werden.
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Gegenüber
allen anderen Queuingstrategien nach dem Stand der Technik, lassen
sich mit dem System zur exklusiven Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen
die Nachrichtentransportzeiten mit hoher Qualität abschätzen.
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Das
System zur exklusiven Bevorzugung von Nachrichtentelegrammen kann
in seinem zeitlichen Verhalten weiter verbessert werden, indem nicht
exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme, welche gerade über
einen Port die Koppeleinheiten verlassen, durch eine Übertragungs-Abbruch-Einheit
abgebrochen werden, wenn einlaufende exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme
(Automatisierungstelegramme) den gleichen Ausgangsport beanspruchen
(siehe 5). Sobald das einlaufende Telegramm als exklusiv
zu bevorzugendes identifiziert worden ist, wird das Senden des auslaufenden
nicht exklusiv zu bevorzugenden Nachrichtentelegramms abgebrochen.
Dies macht den Ausgangsport frei und das einlaufende exklusiv zu
bevorzugende Nachrichtentelegramm kann direkt ohne Verzögerung
z. B. im cut through Verfahren weitergeleitet werden.
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Damit
die abgebrochenen Telegramme nicht verloren gehen, werden sie in
Speichereinheiten in den Koppeleinheiten solange zwischengespeichert, bis
eine vollständige Weiterleitung erfolgt ist. In der nachfolgenden
Koppeleinheit können abgebrochene Telegramme als unvollständig
erkannt werden und werden zur Entlastung der Kommunikationsstrecken vernichtet.
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Nur
noch exklusiv bevorzugte Nachrichtentelegramme können sich
auf der Nachrichtenstrecke gegenseitig ausbremsen. Die Übertragungszeiten
für exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme verbessern
sich deutlich und können zeitlich determiniert werden,
wenn die beanspruchte Bandbreite aller Automatisierungstelegramme
bekannt ist.
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Mit
n = 32 Koppeleinheiten in einer Linie ergibt sich dann für
den oben beschriebenen schlechten Fall: T = n × td + Tk = 101 μsec
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Automatisierungsprotokolle
wie z. B. Ethernet/IP und Modbus TCP/IP tragen ihre Protokollkennung
im ISO Layer-3. Für Modbus TCP/IP wurde der Port 502 und
Ethernet/IP der 2222 im UDP-Header standardisiert (siehe 3).
Diese Kennungen werden je nach Wahl in den Koppeleinheiten hinterlegt. Laufen
derart gekennzeichnete Nachrichtentelegramme in eine Koppeleinheit
ein, werden sie von derselben als exklusiv zu bevorzugende Nachrichtentelegramme
durch Vergleich mit den hinterlegten Kennungen identifiziert und
mit höchster Priorität entsprechend den bisherigen
Ausführungen weitergeleitet. Diese Auswahl kann auf jede
beliebige Protokollkennung verallgemeinert werden.
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Erfindungsgemäß kann
auch der Betrieb in isochronen Netzwerken wie z. B. Profinet IRT
optimiert werden, indem die Koppeleinheiten aufgrund der Kennung
von isochronen Nachrichtentelegrammen die zeitliche Lage der isochronen Übertragungszyklen
identifizieren. In der Lernphase zur Identifizierung der zeitlichen
Lage der isochronen Übertragungszyklen werden die isochronen
Telegramme wie exklusiv zu bevorzugende Telegramme behandelt, welche
alle anderen Telegramme unterbrechen. Nach der Lernphase stehen
die Länge und Abfolge der isochronen Nachrichtenzyklen
fest. In den isochronen Übertragungszyklen werden alle
einlaufenden nicht isochronen Telegramme zwischengespeichert und
nach Ende des isochronen Übertragungszyklusses gesendet.
Außerhalb der isochronen Übertragungszyklen kommt
der oben beschriebene Nachrichtenverkehr der exklusiven Bevorzugung
von Nachrichtentelegrammen zum Einsatz. Einlaufende isochrone Nachrichtentelegramme
werden hier vernichtet.
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So
ist es möglich mit den beschriebenen Koppeleinheiten den
Profinet Verkehr mit seinen Verkehrsklassen IRT, RT und NRT zu unterstützen.
Profinet IRT Telegramme werden nur innerhalb der isochronen Phasen
weitergeleitet, während alle anderen in die Koppeleinheiten
einlaufende Telegramme zwischengespeichert werden. Ausserhalb der
isochronen Phasen werden Profinet RT-Telegramme wie exklusiv bevorzugte
Nachrichtentelegramme behandelt und zusammen mit den Profinet NRT
(Non Real Time) Telegrammen transportiert (siehe 6).
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So
ausgelegte Koppeleinheiten eignen sich besonders zur Integration
in Profinet RT Automatisierungsgeräte, welche auch im Mischbetrieb
mit Profinet IRT betrieben werden können. Der IRT Verkehr wird
hierbei nicht gestört und die RT-Nachrichtentelegramme
werden exklusiv bevorzugt vor den NRT-Nachrichtentelegrammen transportiert.
Darüber hinaus eignen sich die Koppeleinheiten zum Aufbau von
Mehrport-Switches für Profinet RT Netzwerke.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Prof. Dr.
Bernhard G. Stütz und Dipl.-Ing. Toralf Rungevon von der
Fachhochschule Stralsund beschreiben in ihrem Beitrag "REAL-TIME-CORE- UND
-EDGE-SWITCHES Klassengesellschaft im Netz – die Theorie"
in network Computing vom 17.03.2004 [0001]
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