DE3328834A1 - Datenuebertragungsssystem mit einer ringfoermigen uebertragungsleitung - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Datenübertragungssystem mit einer ringförmigen Übertragungsleitung Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungssystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs i genannten Art.
• Es sind verschiedene Datenübertragungsnetze bekannt geworden, die dem Datenaustausch zwischen Rechnern, zwischen Rechnern und Terminalen, zwischen Rechnern und Meßfühlern oder Stellgliedern bei Aufgaben der Prozeßsteuerung oder zwischen Rechnern und Endgeräten bei Aufgaben der Kommunikation, insbesondere im lokalen Bereich oder bei der Büroautomatisierung dienen. Gegenüber der herkömmlichen Lösung in zentralisierten Nebenstellen- oder Ortsvermittlungsanlagen besitzen diese Datenübertragungsnetze eine höhere Flexibilität und erlauben eine schnellere Integration verschiedener Dienste und Anwendungen im lokalen Bereich.
• Entsprechend den genannten Aufgaben und Anwendungen lassen sich zwei Arten von Datenübertragungsnetzen unterscheiden, zum einen solche, die der Übertragung großer Datenmengen in kurzer Zeit mit burstartigem Charakter dienen, und solche, die mehr der Kommunikation und dem Datenverkehr mit kleineren Dateranengen und langsamerer Übertragungsrate dienen. Zur ersten Art sind die Netze zu zählen, die es erlauben, Rechner mit Rechnern zu verbinden. Zu dlesen Netzen gehören Anordnungen mit Bus- oder Schleifenstruktur mit Übertragungsraten um 10 Mbit/s. Als typische Vertreter sind Ethernet, Net-One, Hyper-Channel oder Express-Net zu nennen.
• Zur zweiten Art zählen vorzugsweise Netze vom Ringtyp, die eine aufwandsärmere Realisierung zulassen. Als Beispiele seien das FBM-Ringnetz, das HP-Ringsystem und das an der Universität Stuttgart entwickelte Ringnetz LIBSY erwähnt.
• Der geringere Aufwand ist hierbei meist mit einer geringeren Datenübertragungsrate von etwa 1 Mbit/s auf dem Ring gekoppelt. Diesen Datenübertragungsnetzen mit Ringstruktur ist gemeinsam, daß ein Senderecht (engl. "Token") vorhanden ist, das festlegt, welche Station auf dem Ring zu welcher Zeit senden darf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ringförmiges Datenübertragungssystem der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und es trotz der allgemeinen Anwendbarkeit erlaubt, eine besonders aufwandsarme Realisierung mit verfügbaren Standardbausteinen zu errei¢hen.
• Diese Aufgabe wird bei dem genannten Datenübertragungssystem durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannte Erfindung gelöst.
• Das Datenübertragungssystem gemäß der Erfindung ist sehr aufwandsarm mit Standard-Halbleiter-Bausteinen zu realisieren und ermöglicht trotzdem eine schnelle Datenübertragung mit einer einfachen Weitergabe des Senderechts. Da die Ringschalter der an der Datenübertragungsleitung nicht beteiligten Teilnehmerstationen geschlossen sind, werden die Daten unverzögert im Ring übertragen. Eine zentrale Vergabe des Senderechts ist nicht erforderlich.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 haben sich insbesondere Mikrorechner des Typs Zilog Z80 mit Schnittstellenbaustein SIO als besonders geeignet für die HDLC-Prozeduren gezeigt. Anspruch 5 gibt ein sehr einfaches und betriebssicheres Zugriffsverfahren an, mit dem insbesondere eine Doppelvergabe des Senderechts vermieden wird.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: FIG. 1 Blockschaltbild des Datenübertragungssystems gemäß der Erfindung FIG. 2 Schematische Darstellung des HDLC-Rahmens In FIG. 1 ist das Blockschaltbild des Datenübertragungssystems gemäß der Erfindung dargestellt. Es besteht aus n Teilnehmerstationen T1 bis Tn, wobei mit dem Index i eine dazwischenliegende Teilnehmerstation bezeichnet ist, und einer die Stationen untereinander verbindenden ringförmigen Übertragungsleitung 1. Die Übertragungsleitung 1 kann aus einfachen verdrillten Metalleitungen oder aus Lichtwellenleitern bestehen. Die evtl. erforderlichen Leitungsanpassungen (spezielle Kodierschaltungen), Potentialtrennungen oder Repeater sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Sie tragen auch nichts zum Verständnis der Erfindung bei.
• Jede Teilnehemrstation Ti, wobei i = 1,2,..., n sein kann, besteht aus einem Mikrorechner 6i und einem seriellen Schntitstellenbaustein SIO mit beispielsweise zwei Kanälen 5i und 7i. Der erste Kanal 5i dient als Schnittstelle zum Ring 1 und der zweite Kanal 7i als Schnittstelle zu dem Teilnehmerendgerät, beispielsweise 81 bei dem Teilnehmer T1. Der zweite Kanal 7i ist als V24-Schnittstelle ausgeführt, so daß sich verschiedene Terminals daran anschließen lassen. Als Mikrorechner und Schnittstellenbausteine haben sich beispielsweise der Mikrorechner Zilog Z80 und der serielle Schnittstellenbaustein 810 von Zilog als besonders günstig bezüglich Taktgeschwindigkeit und Vielseitigkeit erwiesen.
• Aus Aufwandsgründen wurde die Struktur eines Ringsystems ausgewählt. Im Gegensatz zu Schleifensystemen, bei denen das Übertragungsmedium zweimal durch jede Teilnehmerstation geschleift ist, wird der Ring nur einmal durch jede Teilnehmerstation geführt. Darum ist ohne besondere Vorkehrungen nur ein gerichteter Verkehr über den Ring möglich.
• Ein besonderes Problem stellt bei Ringsystemen das Zugriffsverfahren dar. Da in allen Teilnehmerstationen durch die Mikrorechner-Steuerung ein hohes Maß an "verteilter Intelligenz" vorhanden ist, wird aus Gründen der Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit des Ringssystems eine dezentrale Lösung bevorzugt.
• Hierzu ist gemäß FIG. 1 zwischen der Empfangsleitung 3i und der Sendeleitung 4i jeweils einer Teilnehmerstation Ti ein Ringschalter 2i vorgesehen. Dieser kann als Ein/Aus-Schalter oder, wie in FIG. 1 ersichtlich, als Umschalter ausgebildet sein und z.B. durch einfache logische Schaltkreise realisiert werden, die vom Mikrorechner der jeweiligen Teilnehmerstation Ti gesteuert werden.
• Nur die Teilnehmerstation, die das Senderecht hat, hält ihren Ringschalter geöffnet. Auf diese Weise. ist es möglich, daß ein Datenpaket an allen übrigen Stationen unverzögert vorbeiläuft, daß nur die adressierte Station das Datenpaket empfängt und daß die Sendestation die ausgesendete Nachricht wieder empfangen und auf diese Weise gleichzeitig die reguläre Funktionsweise des Rings überwachen kann.
• In den seriellen Schnittstellen (SIO) 51 bis 5n der Mikrorechner 61 bis 6n sind Funktionsblöcke zur Ausführung der sog. HDLC-Prozedur (High Level Data Link Control) vorhanden, die eine Datenübertragung über den Ring 1 mit diesem Verfahren ermöglichen.
• In FIG. 2 ist ein HDLC-Rahmen schematisch dargestellt. Er besteht aus einem oder mehreren Begrenzungsworten (lag"), der Zieladresse, Absenderadresse, einem Steuerwort, den Daten, einer Prüfbitfolge z.B. einer Rahmen-Prüffolge und einem oder mehreren Begrenzungsworten am Ende des Rahmens.
• Der kürzeste mögliche Rahmen besteht aus einem Flag, der Zieladresse, der Rahmenprüffolge und einem End-Flag. Alle Worte sind 8 bit breit, die Rahmenprüffolge umfaßt 2 Worte, hat also eine Länge von 16 bit. Der kürzeste Rahmen besteht also aus 5 Worten.
• Bei der Übertragung eines Datenpakets, z.B. von der Teil nehmerstation Tl aus, werden die Flags von dem Schnittstellenbaustein 51 des Mikrorechners 61 beim Aussenden erzeugt und beim Empfang vom Schnittstellenbaustein z.B.
• 5n der Zielstation Tn aus dem Datenstrom des Rings 1 genommen. Nur die Daten zwischen Anfangs- und End-Flags werden vom sendenden Mikrorechner 61 zum empfangenden Mikrorechner 6n weitergegeben. Um auf der Leitung Flags von Daten zu unterscheiden, fügt der Schnittstellenbaustein 51 der Sendestation T1 jeweils eine Null in den Datenstrom ein, wenn mehr als 5 Datenbits übertragen werden sollen. Der Schnittstellenbaustein 5n der Empfangsstation Tn entfernt diese eingefügten Nullen wieder.
• Da die Mikrorechner mit einer Wortbreite von 8 bit organisiert sind, können nach dieser Prozedur 28 Stationen direkt adressiert werden. Das Bitmuster "1111 1111" dient bspw. als globale Adresse und wird von jedem Schnittstellenbaustein 51 bis 5n erkannt. Datenblöcke mit dieser Adresse werden daher von allen Teilnehmerstationen empfangen und können insbesondere für Steuerungszwecke benutzt werden.
• Die individuelle Teilnehmerstationsadresse z.B. der Station T1 kann vom zugeordneten Mikrorechner 61 in den Schnittstellenbaustein 51 eingeschrieben werden. Dadurch kann bei Bedarf eine freie Adressenvergabe realisiert werden. Das Adressenfeld ist auch erweiterbar, indem beispielsweise weitere Datenworte als Adressenfelder hinzugenommen werden. Auf diese Weise sind auch Gruppenadressen realisierbar.
• Werden über den Ring Datenblöcke übertragen, die weder die eigene noch die globale Adresse enthalten, bleibt der entsprechende Mikrorechner passiv.
• In jedem Schnittstellenbaustein 51 bis 5n ist ein Pufferspeicher für 3 Worte vorhanden, in dem die Zieladresse in die erste Zelle, die Absenderadresse in die zweite Zelle und, falls der Mikrorechner die empfangenen Daten nicht in den Arbeitsspeicher holt, das letzte empfangene Wort (also der 2. Teil der Rahmenprüffolge (vergl. FIG. 2) zwischengespeichert werden. Die dazwischenliegenden Werte werden in der 3. Zelle des Pufferspeichers überschrieben.
• Die Rahmenprüffolge (FCS = frame check sequence) dient der Datensicherung. Alle Bits von der Zieladresse bis zum letzten Datenbit werden in vorteilhafter Weise einer festgelegten Fehlererkennungsprozedur unterworfen. Die erforderlichen Koder und Dekoder sind als Funktionsblöcke ebenfalls in jedem Schnittstellenbaustein 51 bis 5n vor- handen. Die von der Schnittstelle 51 ermittelte Rahmenprüffolge wird an den Datenblock angehängt und zur empfangenen Station Tn übertragen. Die empfangende Station Tn vergleicht die von ihr ermittelte Prüffolge mit der übertragenen Prüffolge. Stimmen diese überein, so war die Datenübertragung fehlerfrei.
• Die Übergabe des Senderechts kann ebenfalls mit einem HDLC-Block erfolgen, wobei die globale Adresse und ein Steuerwort benutzt werden kann, um alle sendewilligen -Stationen zur Übernahme des Senderechts auf zufordern. Wenn alle sendewilligen Stationen ihren Ringschalter öffnen und die Tokenübergabe beispielsweise wieder über einen HDLC-Block erfolgt, erhält nur die auf dem Ring nächstfolgende sendewillige Netzstation das Senderecht. Nach Ablauf einer Überwachungszeit schließen alle anderen Stationen ihren Ringschalter wieder und es folgt die nächste Datenübertragung.
• Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, weil mehrere Steuerdatenblöcke übertragen werden müssen, um das Senderecht zuverlässig weitergeben zu können. In vorteilhafter Weise wird daher von einem besonderen Signal zur Übergabe des Senderechts, der sog. 1,Abbruchfolge" Gebrauch gemacht.
• Im Anschluß an jede Datenübertragung wird von der sendenden Teilnehmerstation z.B. T1 die Abbruchfolge (Dauer-Einsen, die sonst nicht vorkommen) gesendet, um allen anderen sendewilligen Stationen anzuzeigen, daß das Senderecht übergeben werden soll. Alle Stationen erkennen die Abbruchfolge. Die sendewilligen Stationen z.B. Ti und Tn öffnen ihren Ringschalter 2i bzw. 2n und senden eine Nullfolge über die Sendeleitung 4i bzw. 4n in den Ring 1.
• Nach einer vorgegebenen Überwachungszeit prüfen alle sendewilligen Stationen 2i und 2n die Nachricht auf der Leitung. Wird z.B. von der Teilnehmerstation Tn die Nullfolge der Station Ti erkannt, schließt der Schnittstellenbaustein 5n den Ringschalter 2n wieder, da eine andere Station das Senderecht erhalten hat. Nur eine Station, nämlich die Station Ti erkennt die "l"-Folge und übernimmt das Senderecht. Damit kann die nächste Datenübertragung von der Teilnehmerstation Ti aus ausgeführt werden.
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Claims (4)

1. Patentansprüche fs Datenübertragungssystem mit einer ringförmigen Übertragungsleitung (Ring) mit gerichtetem Verkehr und einer Vielzahl von Anschlußstellen, die jeweils über eine Empfangs- und Sendeleitung an den Ring angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Empfangsleitung (3i) und Sendeleitung (4i) jeder Anschlußstelle (5i) ein elektronischer Schalter (2i, Ringachalter) vorgesehen ist, daß die Anschlußstelle (5i) und der Ringschalter (2i) von der an der Anschlußstelle (5i) angeschlossenen Teilnehmerstation (Ti) gesteuert werden, daß innerhalb des Rings (1) jeweils lediglich eine Teilnehmerstation (Ti) ein Senderecht hat, daß eine Teilnehmerstation (Ti) mit Senderecht während einer Datenübertragung den Ring (1) mittels des ihr zugeordneten Ringschalters (2i) auftrennt, daß nach jeder Datenübertragung das Senderecht von der letzten sendenden Teilnehmerstation der nächsten auf dem Ring (1) folgenden sendewilligen Teilnehmerstation übergeben wird, indem alle sendewilligen Teilnehmerstationen nach vorhergehender Aufforderung ihren Ringschalter auftrennen und während einer fest vorgegebenen Überwachungszeit auf den Empfang des Senderechts warten, daß alle Teilnehmerstationen, die nach Ablauf einer Überwachungszeit das Senerecht nicht erhalten haben, ihren Ringschalter wieder schließen und dadurch die folgende Datenübertragung ermöglichen und daß eine sendende Teilnehmerstation die Daten mittels einer individuellen Zieladresse oder mittels einer Rundspruchadrjesse an die andere Teilnehmerstation bzw. an die anderen Teilnehmerstationen sendet (i = 1,2,3,..., n).
2. 2. System -nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten auf dem Ring (1) mittels einer HDLC-ähnlichen Prozedur mit Zieladresse, Absenderadresse, Steuerwort, Datenfeld, Prüfbitfolge und Begrenzungsworten (Flags) übertragen werden.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmerstationen (Ti) mit Standard-Mikrorechner-Bausteinen und Standard-Schnittstellen-Bausteinen realisisiert sind.
4. 4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufforderung und die Weitergabe des Senderechts mittels HDLC-Steuertelegramme erfolgt.

   -5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufforderung und zur Weitergabe des Senderechts ein Token"-Signal verwendet wird, das aus einer sogn. Abbruchfolge (mehr als 6 aufeinanderfolgende logische Einsen) besteht und daß alle sendewilligen Teilnehmerstationen, die die Abbruchfolge empfangen, ihren Ringschalter öffnen und eine logische Nullfolge in den Ring (1) einspeisen und falls sie innerhalb einer vorgebbaren Zeit eine Nullfolge empfangen, ihren Ringschalter wieder schließen.