WO2003077479A1 - Method for the multi-directional exchange of data sets - Google Patents

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WO2003077479A1
WO2003077479A1 PCT/EP2003/002265 EP0302265W WO03077479A1 WO 2003077479 A1 WO2003077479 A1 WO 2003077479A1 EP 0302265 W EP0302265 W EP 0302265W WO 03077479 A1 WO03077479 A1 WO 03077479A1
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Wolfram Kress
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Wolfram Kress
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    • H04L47/24Traffic characterised by specific attributes, e.g. priority or QoS
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to a method for the multidirectional exchange of data sets between connection devices connected to one another via a network, the network in particular being an Ethernet. Furthermore, the invention relates to a network with which the method according to the invention can be carried out, and to a switching device according to the invention arranged in the network for carrying out the method.
  • Automation systems based on Ethernet are not hierarchical, so that all participants in an automation system via Ethernet, e.g. on the basis of the TCP / IP protocol, can communicate directly with each other.
  • management functions such as Program and parameter sets, diagnostic data and high-bandwidth visualization data are transferred to the automation devices, thereby achieving advantages over the fieldbus systems commonly used in industrial automation.
  • control data In industrial automation, the control data must be transferred from the source to its destination within the automation network within short and guaranteed times.
  • the response times required in industrial automation are in the lower millisecond range. Such short reaction times are absolutely necessary, for example, for precise control of processing machines, robots, etc.
  • emergency signals In particular, emergency signals (emergency stops) must be transmitted within short, clearly defined periods. A probability, even if very high, of timely transmission is not acceptable, especially since injuries to operating personnel can possibly be caused.
  • the Ethernet cannot guarantee maximum reaction times because the Ethernet exchanges messages only with a calculable, statistical and not strictly determinable probability of success. Due to the collision of data records within the Ethernet, long reaction times may not be avoided. Strict determinability of the data exchange cannot be brought about even by so-called switches provided in the network, which have buffers for storing data records. Here, too, it can occur, albeit with a relatively low probability, that a data record is not transmitted within the maximum response time required for industrial automation. (see e.g. Frank J. Furrer; Ethernet-TCP / IP for industrial automation, Hüthig Verlag, 2000).
  • the behavior of known automation devices is characterized by a hierarchical behavior.
  • a controller communicates with the sensors and actuators via a fieldbus.
  • the sensors are, so to speak, "asked” for new measured values and only after a request the "answer” is sent back to the control system via the fieldbus.
  • the control system hereby specifies an ordering system that also solves the problem of determinability.
  • Such systems are also referred to as the master / slave principle, which allows response times in control processes
  • the automation device itself is responsible for the determinable data transport in a network.
  • Hubs are used to connect consumer devices to the network. Their function is essentially limited to signal processing and network arbitration, which ultimately decides which messages are forwarded and which are rejected or rejected. Since even 100 Mbit Ethernet networks lose efficiency from a network load of around 10%, so-called switches have been developed that regulate data traffic in terms of efficiency in a network. In contrast to hubs, no messages are discarded, but rather temporarily stored and forwarded at a later point in time that cannot be determined strictly in time.
  • the object of the invention is to provide a method for setting up a communication system, preferably based on Ethernet, for industrial automation, which has a time-determinable communication behavior.
  • the response times should preferably be in the lower millisecond range.
  • the object is achieved according to the invention by a method for the multidirectional exchange of data records according to claim 1 and by a network for carrying out the method according to claim 29 and a switching device for the network for carrying out the method according to claim 30.
  • the method according to the invention for the multidirectional exchange of data records between connection devices or consumers connected to one another via a network has switching devices according to the invention connected to the connection devices.
  • Network connection then takes place by connecting the individual switching devices to one another.
  • This connection can be made, for example, directly from the switching device to the switching device or via hubs.
  • the time-definable data transport takes place through the switching devices.
  • the switching devices are thus constructed according to the invention in such a way that the data are sent from them in a time-determined manner.
  • the time determinability of the network is therefore not, as in the case of fieldbus systems, in the connection or automation device itself, but with the aid of the switching device.
  • the automation devices can thus send data at any time.
  • the determinability required for automation is then realized by the switching devices connected to the connection or automation devices.
  • the transmission sequence of the individual switching devices is preferably determined automatically according to the method according to the invention.
  • the response time of the network can thus be determined in time. For example, depending on the permitted data record lengths, a maximum period in which a data record of a connection device is sent can be determined. Maximum response times can thus be determined.
  • the provision of switching devices according to the invention, which can send data records in an automatically determined transmission sequence makes it possible in particular to set up the network on an Ethernet basis. According to the invention, the advantages of Ethernet are thus linked to the requirements for industrial automation.
  • the connection devices or consumers connected to the switching devices can continue to transmit data records to the switching devices at any time. According to the invention, the transmission sequence is carried out exclusively with the aid of the intermediate switching devices.
  • Priorities are preferably assigned to the data records to be sent.
  • the data records with high priority are preferably sent more frequently than data records with lower priority. It is thus possible, for example, for a switching device to prefer data records with high priority as soon as it is their turn to send a data record in accordance with the transmission sequence.
  • High-priority data records can thus overtake lower-priority data records within a switching device. For example, every switching device always sends its existing data record with the highest priority every second transmission process.
  • the number of priorities used and a suitable set of rules regarding when which priorities are preferred can be optimized in particular depending on the system that is operated with the method according to the invention. The maximum permissible system response time must be taken into account.
  • each connection of the switching device that is connected or can be connected to a connection device or a consumer is thus assigned a transmission authorization number.
  • data records are then always sent in the specified order.
  • each switching device preferably sends the Ethernet address of the individual connections or the Ethernet address of the connection devices to all other switching devices that are located in the network. Every switching device is therefore aware of all Ethernet addresses.
  • Each switching device can then create an ascending list of the Ethernet addresses, for example, so that its own transmission location is defined for each individual connection of the switching device and is known to the corresponding switching device.
  • the switching device required to carry out the method according to the invention is preferably an electronic logic unit which has at least one memory unit and a connection for an ethernet-based connection device and at least one further connection for connection to the network, i.e. with other switching devices or hubs.
  • Switching devices of this type are referred to below as “Quality of Service Switches" (QoS switch).
  • the method according to the invention is characterized in particular by the fact that by means of the switching devices or QoS switches, both star-shaped and linear automation topologies can be set up without the use of complex configuration tools (software tools), so that the cabling can be optimally adapted to the decentralized automation structure ,
  • the method according to the invention also makes it possible with hardware and hardware that are significantly smaller than those of commercially available switches Software effort to build a QoS switch.
  • the QoS switch can be a cost-effective single-chip solution with an integrated or externally connected memory chip without the use of complex
  • Microprocessor architectures are manufactured.
  • the QoS switch can be directly and cost-effectively integrated into the respective subscriber, eliminating the Ethernet consumer connection or the Ethernet connection device connection.
  • a MAC Media Access Control
  • the physical can then be omitted.
  • the QoS switches can be operated mixed with hubs in a network without losing the properties of the temporal determinability of the message exchange.
  • the topological network structure also allows star-shaped or mixed structures.
  • QoS switches can be used to create strictly determinable network areas that can be linked to other network areas, e.g. Office domains, can also be coupled via QoS switches.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an example of a network with switching devices provided according to the invention
  • FIGS. 3-6 a schematic representation of several successive transmission cycles
  • Fig. 7 is a diagram of the response time depending on different
  • Fig. 9 is a schematic representation of the switching device.
  • QoS switches quality of services switches
  • Each QoS switch 10 has at least one consumer or connection device connection 12 and at least one network connection 14.
  • the consumer connection 12 is connected to the consumers or connection devices, and the network connection 14 is either connected directly to a network connection 14 of a further QoS -Switches 10 connected or with commercially available network infrastructure components such as Hubs 16. It is only important in this procedure within the network
  • Switches 18 can also be connected via the consumer connections to connect further networks (for example an office network).
  • the consumers or connecting devices 20 may only be connected to the consumer connections 12 of the QoS switches 10.
  • connection devices 20 are connected via QoS switches 10 and hubs 16.
  • QoS switches 10 can be connected directly between consumer 20 and hub 16 and also allow the wiring to be looped through to the next QoS switch 10.
  • Each consumer connection 12 of the QoS switches 10 receives the right to send a message all round.
  • the send authorization is taken from a consecutive number that describes the send position. If a QoS switch 10 has several consumer connections 12, a number is assigned to each consumer connection 12 per QoS switch 10. It is advantageous if the numbers of the consumer connections 12 per QoS Switch 10 can be assigned continuously.
  • the consumer connection 12 with the number "1" first receives the right to send a message or a data record. Since all data records pass through all QoS switches 18 and hubs 16, all other consumer connections 12 can observe the flow of messages and count the number of messages sent The QoS switch 10 then sends its consumer connection 12 has the number “2”, etc.
  • a consumer connection 12 If a consumer connection 12 has no new messages (from the consumer), it still sends a message (dummy) so that the following consumer connections 12 can determine their correct transmission position. It is advantageous if in this case the shortest possible message is sent and the message is not directed to any recipient in this network. In this way, the network is not burdened with unnecessarily long messages and the consumers 20 can be relieved.
  • a reception memory is assigned to each consumer connection 12, into which all data records sent by the consumer 20 enter.
  • Each consumer connection 12 per QoS switch 10 is assigned an Ethernet reception address (destination) which is identical to the reception address of the connected consumer 20. This can be taken directly from the protocol traffic with the consumer or with the connection device 20. This ensures that every consumer 20 can exchange 20 messages or data records with every other consumer 20. It is advantageous that only messages from the QoS switch 10 are forwarded to the consumers 20, whose receive address matches that of the Message is identical.
  • the system can be expanded in such a way that multicast and broadcast messages can also be transmitted. In this case, a check for multiple addresses (or address spaces) is carried out in the QoS switch 10 per consumer connection 12 and per message.
  • each message can be assigned a priority, which is defined in the IP protocol and supports the Quality of Services (QoS).
  • QoS Quality of Services
  • the control logic of the QoS switch 10 checks the priority of the message in the IP range of the telegram and then redefines the transmission sequence of all messages or data records that still remain in the QoS switch 10. So it is possible that later received messages with high priority, messages with low priority can "overtake" in the QoS switch.
  • the QoS switch 10 can be designed or parameterized so that it supports fewer priorities than specified in IEEE 802.1p (7 classes). In this case, all priorities that are less than or equal to III are treated with priority III.
  • maximum message lengths can be assigned to each priority class I to III. This is expedient in automation, since the message lengths for security-relevant messages are generally shorter than pure control messages, which in turn will be shorter than messages that are used for visualization purposes or general management functions and more and more frequently due to classic Internet services (e.g. http server) to be served. In this case, the message length per priority can be limited. If a message exceeds this length, it will automatically be treated with the next lower priority. This option is advantageous in order to obtain the shortest possible response times for high-priority messages and to be able to calculate them in a time-determinable manner.
  • Ethernet packet length max the message priorities in an Ethernet-based automation network are divided as follows: Ethernet packet length max.
  • Control messages priority II; 256 bytes
  • all priority I messages receive a send right in the first send cycle.
  • the half receive all messages of priority II and in a third transmission cycle 1 A of all messages of priority III transmission rights, or to be transmitted.
  • the table shows 12 message cycles, each separated by a pause to synchronize the entire system. After the end of the 12th transmission cycle, transmission cycle 1 is restarted after a pause. Message priorities I to III are handled in three successive message cycles.
  • Each consumer connection evaluates the two lower bits of its send authorization number.
  • the message cycles to which the treatment of message priorities from I to III corresponds in each case are carried along by the QoS switches 10 via a counter per connection device connection 12.
  • By evaluating the table it is determined whether in the respective transmission cycle, taking into account one's own number, there is authorization to send the correspondingly prioritized message.
  • Logical 0 means in the table that there is no authorization to send and logical 1 means that a data record is sent.
  • Figs. 3-6 are shown according to the table (Fig. 2) transmission cycles with 12 connection devices and 3 message priorities (QoS).
  • the messages with priority I, ie the highest priority, are hatched, the messages with priority II are dotted and the messages with priority III are shown in white.
  • a 1st, a 2nd and a 3rd transmission cycle is shown as a circle, the first transmission cycle being the transmission cycle 22, the second transmission cycle 24 and the third transmission cycle 26.
  • a message with priority I sent in the first transmission cycle 22 of each consumer connection, i.e. the consumer connections with the numbers 1- 12, a message with priority I sent.
  • data records are sent to every second connection device, i.e. of the connection devices with the numbers 1, 3, 5, 7, 9 and 11.
  • data records of priority II are sent in the second transmission cycle 24.
  • data records of priority III become one quarter in the third transmission cycle the connection devices, or a quarter of the consumer connections, in the illustrated embodiment of the connections with the numbers 4, 8 and 12, sent.
  • the messages of the highest priority are again sent in the first transmission cycle 22 (FIG. 4).
  • Data records from all connecting devices 1-12 are sent again.
  • 24 data records of half of the devices are sent in the second transmission cycle. These are data records of those devices from which no data records were sent in the first round (FIG. 3), ie devices 2, 4, 6, 8, 10 and 12.
  • data records are sent in the third transmission cycle 26, data records of another quarter of the devices, in the illustrated embodiment of devices 1, 5 and 9, being forwarded.
  • data records with the highest priority are sent in the first transmission cycles 22, data records of all connecting devices being sent.
  • the subsequent transmission cycles 24 correspond to the transmission cycles as shown in FIGS.
  • the third transmission cycle 26 contains data records of devices 2, 6, 8 in the cycle shown in FIG. 5 and data records of devices 3, 7, 11 in the next cycle (FIG. 6).
  • Priority II records have been sent twice in this total circulation.
  • Priority III records were sent once per device after the four rounds (Fig. 3-6).
  • this method can be extended to the treatment of further priorities and there are also other options for load limitation of lower message priorities.
  • a determinable transmission time for a data set can be determined with the maximum known data lengths, the baud rate, the interframe gap, the number of participants that have to be rounded up evenly.
  • the transmission time and thus the reaction time is determined by the following formulas:
  • R x response time in usec (worst case) with priority x
  • T x time of a telegram in usec with 100 Mbit Fast Ethernet with priority x
  • D x maximum length of the respective Ethernet protocol in bytes
  • T Time of the interframe gap (approx. 1 usec)
  • n number of consumer connections operated rounded up to an even number
  • Each QoS switch 10 has its own unique Ethernet address per consumer connection 12. These are used for diagnostic and management purposes and are used according to the invention for determining the authorization number.
  • the send authorization number is synonymous with the send position of the consumer connection.
  • the Send authorization number is determined from all Ethernet addresses of the consumer connections involved in the network. So z. For example, the consumer connection with the lowest Ethernet address has the send authorization number 1. The consumer connection with the next higher Ethernet address has the number 2 etc.
  • the control logic of each consumer connection must have knowledge of all Ethernet addresses of the consumer connections in the network.
  • the mutual exchange of all Ethernet addresses of the consumer connections takes place by sending the own Ethernet address to all other QoS switches 10.
  • the pauses after the message cycles are used to exchange these addresses.
  • a typical transmission cycle is shown in FIG. At the end of each transmission cycle there is a pause consisting of P1 and P2.
  • the consumer connection with the authorization number 1 starts the next transmission cycle.
  • a send cycle only messages from consumer connections that have already been registered are sent.
  • a new QoS switch 10 If a new QoS switch 10 is now added to the network, it observes a transmission cycle and detects its end when no more messages have been received within a pause time Pl. To register, this QoS switch sends the Ethernet address of one of its consumer connections. Since all already registered QoS switches also monitor the pause times, all QoS switches receive this address within the pause time P2. As a result, all other QoS switches now send their Ethernet addresses corresponding to the consumer connections. This communication can take place according to the normal Ethernet rules (CSMA / CD), since no determinable real-time behavior of the network is expected in the case of the network configuration. If all Ethernet addresses have been exchanged once, a new transmission authorization number is determined for each consumer connection. This can e.g. B. after the detected pause time Pl. To When the pause time P2 expires, the consumer connection with the lowest Ethernet address starts the next transmission cycle. If a message is received again before the pause time P2 expires, then all Ethernet addresses must be
  • FIG. 8 also shows a registration cycle in which no subscriber has yet registered in the network.
  • This condition can e.g. For example, for the sake of simplicity, it is assumed below that only QoS switches with one consumer connection each register. The first participant in the network will not be able to detect a transmission cycle. After a pause P3 that is greater than P1 + If the participant does not receive any messages within the pause time P3, he sends his address again etc. If a second QoS switch is now connected, this will receive a message from the QoS switch that was switched on first Pl starts the second connected QoS switch with the sending of its Ethernet address, which in turn triggers the procedure described above.
  • the method can alternatively be changed such that only one Ethernet address is assigned to each QoS switch.
  • all consumer connections must get by with an Ethernet address.
  • all consumer connections per QoS switch then send the same Ethernet address.
  • the send position of the consumer connections within a QoS switch can be changed in the QoS switch Software or hardware logic can be specified. All other QoS switches or their consumer connections treat the same received Ethernet addresses as in the procedure described above. The determination of your own send position is not affected as long as each consumer connection sends an Ethernet address and thus registers a send slot.
  • a sufficient common receive memory area is assigned to all consumer connections or connection device connections 12 of a QoS switch 10.
  • E.g. 8 times 1526 bytes (1526 bytes max. Ethernet frame) for 8 consecutive messages from the consumer and an additional 1526 bytes for a message from the network for temporary storage, if this cannot be forwarded directly to the consumer.
  • the reason for this can e.g. B. be that the consumer wants to send a message and has occupied the line to the QoS switch in half duplex mode.
  • the QoS switch shown as an example in FIG. 9 consists of two network connections 40, 42 with which the connection to further QoS switches 10 or commercially available hubs 16 (FIG. 1) can be established and a consumer connection 44 to which a consumer is connected can be.
  • the QoS switch consists of the MACs (Media Access Control) and the physicals for generating the signals, an external memory 46 for intermediate storage of messages, a microcontroller 48 for managing the QoS switch and a control logic 50 which is designed as a single-chip solution.
  • Repeater 52 for forwarding and processing the Ethernet protocols input and output buffers 54, 56, which serve as send and receive buffers and the logic part 50, which controls the transmission rights and message prioritization in the QoS switch 10. All necessary functions and drivers for connecting an external memory 46 and microprocessor 48 are also accommodated in the chip.
  • Telegrams arriving from the network are checked for their destination address (or address space) and, if necessary, are forwarded to the consumer directly or, if the line to the consumer is busy, indirectly via intermediate storage.
  • To evaluate the destination address at least part of the telegram is buffered in the backbone input buffer.
  • the incoming telegram is sent via the repeater, which only processes the signal, to the other network connection with only a slight time delay, which is only through. Term of the components is determined, issued again. This is important so that time synchronization can be carried out with high accuracy in the network.
  • Telegrams arriving from the consumer are examined in the device input buffer for their priority in the IP area of the protocol and stored accordingly in the external memory until they have been output via the network connections with the corresponding next free send slot.
  • the control logic of the QoS switch can be designed in such a way that, in the event of an impending memory overflow, it rejects lower-priority messages in favor of higher-priority messages.
  • the microprocessor is used to support the calculation of the transmission authorization numbers and the network diagnosis. It is also advantageous to implement an http server that enables external communication with standard software tools, such as. B. Internet Explorer supported. Depending on the number of consumer connections, it may be advantageous to integrate the memory into the chip.

Abstract

The invention relates to a method for the multi-directional exchange of data sets between connecting devices (20) connected to each other via a network, comprising an automatic transmitting sequence of switch units (10) provided in the network. Said switch units (10) are respectively connected to one or more connection devices and to each other or via hubs (16) or switches (18).

Description

030484wo/KB/we 030484wo / KB / we
Verfahren zum multidirektionalen Austausch von DatensätzenProcess for the multidirectional exchange of data sets
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten, wobei es sich bei dem Netzwerk insbesondere um ein Ethernet handelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Netzwerk, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, sowie eine in dem Netzwerk angeordnete, erfindungsgemäße Schalteinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for the multidirectional exchange of data sets between connection devices connected to one another via a network, the network in particular being an Ethernet. Furthermore, the invention relates to a network with which the method according to the invention can be carried out, and to a switching device according to the invention arranged in the network for carrying out the method.
Auf Ethernet basierende Automatisierungssysteme sind nicht hierarchisch aufgebaut, so dass alle Teilnehmer eines Automatisierungssystems über das Ethernet, z.B. auf der Basis des TCP/IP-Protokolls, unmittelbar miteinander kommunizieren können. Nach dem Stand der Technik können Managementfunktionen, wie z.B. Programm- und Parametersätze, Diagnosedaten und Visualisierungsdaten hoher Bandbreite an die Automatisierungsgeräte übertragen und dadurch Vorteile gegenüber den in der industriellen Automation gebräuchlichen Feldbussystemen erzielt werden.Automation systems based on Ethernet are not hierarchical, so that all participants in an automation system via Ethernet, e.g. on the basis of the TCP / IP protocol, can communicate directly with each other. According to the prior art, management functions, such as Program and parameter sets, diagnostic data and high-bandwidth visualization data are transferred to the automation devices, thereby achieving advantages over the fieldbus systems commonly used in industrial automation.
In der industriellen Automatisierung müssen die Steuerungsdaten innerhalb kurzer und garantierten Zeiten innerhalb des Automatisierungsnetzwerks von der Quelle zu ihrem Ziel übertragen sein. Die in der Industrieautomation geforderten Reaktionszeiten bewegen sich im unteren Millisekundenbereich. Derartig geringe Reaktionszeiten sind z.B. zur exakten Steuerung von Bearbeitungsmaschinen, Robotern etc. zwingend erforderlich. Insbesondere müssen Notsignale (Notaus) innerhalb von geringen fest definierten Zeiträumen übertragen werden. Eine, wenn auch ggf. sehr hohe, Wahrscheinlichkeit einer rechtzeitigen Übermittlung ist nicht akzeptabel, zumal ggf. Verletzungen von Bedienpersonal hervorgerufen werden können.In industrial automation, the control data must be transferred from the source to its destination within the automation network within short and guaranteed times. The response times required in industrial automation are in the lower millisecond range. Such short reaction times are absolutely necessary, for example, for precise control of processing machines, robots, etc. In particular, emergency signals (emergency stops) must be transmitted within short, clearly defined periods. A probability, even if very high, of timely transmission is not acceptable, especially since injuries to operating personnel can possibly be caused.
Solche determinierbaren Reaktionszeiten, d.h. garantierteSuch determinable response times, i.e. guaranteed
Maximalreaktionszeiten, vermag das Ethernet aufgrund seines Kollisionsverfahrens (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = CSMA/CD) nicht zu gewährleisten, da das Ethernet nur mit einer kalkulierbaren, statistischen und nicht streng determinierbaren Erfolgswahrscheinlichkeit Nachrichten austauscht. Auf Grund der Kollision von Datensätzen innerhalb des Ethernets können ggf. lange Reaktionszeiten nicht vermieden werden. Auch von sog., im Netzwerk vorgesehenen, Switches, die Zwischenspeicher zum Speichern von Datensätzen aufweisen, kann eine strenge Determinierbarkeit des Datenaustausches nicht herbeigeführt werden. Auch hier kann es, wenn auch mit relativ geringer Wahrscheinlichkeit, auftreten, dass ein Datensatz nicht innerhalb der für die Industrieautomation erforderlichen maximalen Reaktionszeit übermittelt wird. (s. z. B. Frank J. Furrer; Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation, Hüthig Verlag, 2000).Due to its collision procedure (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = CSMA / CD), the Ethernet cannot guarantee maximum reaction times because the Ethernet exchanges messages only with a calculable, statistical and not strictly determinable probability of success. Due to the collision of data records within the Ethernet, long reaction times may not be avoided. Strict determinability of the data exchange cannot be brought about even by so-called switches provided in the network, which have buffers for storing data records. Here, too, it can occur, albeit with a relatively low probability, that a data record is not transmitted within the maximum response time required for industrial automation. (see e.g. Frank J. Furrer; Ethernet-TCP / IP for industrial automation, Hüthig Verlag, 2000).
Weitere Nachteile bei der Verwendung von Switches ergeben sich aus ihrer komplexen Projektierung und ihren hohen Preisen, die in ihrer aufwendigen Struktur begründet sind. Die Matrix eines Switches benötigt Mikroprozessoren höchster Leistungsstufe. Der Speicherbedarf zur Zwischenspeicherung einer unkalkulierbarer hohen Nachrichtenflut ist sehr groß.Further disadvantages when using switches result from their complex configuration and their high prices, which are due to their complex structure. The matrix of a switch requires high-performance microprocessors. The memory requirement for intermediate storage of an incalculably high flood of messages is very large.
Das Verhalten von bekannten Automatisierungsgeräten ist durch ein hierarchisches Verhalten gekennzeichnet. Zum Beispiel kommuniziert eine Steuerung mit den Sensoren und Aktoren über einen Feldbus. Die Sensoren werden sozusagen nach neuen Messwerten „gefragt" und erst nach Anfrage wird die „Antwort" über den Feldbus zurück an die Steuerung gesendet. Durch die Steuerung wird hiermit ein Ordnungssystem vorgegeben, das gleichzeitig auch das Problem der Determinierbarkeit löst. Derartige Systeme werden auch als Master/Slave Prinzip bezeichnet, das es erlaubt, Reaktionszeiten in Steuerungsprozessen zu garantieren. Nach dem Stand der Technik ist somit das Automatisierungsgerät selbst für den determinierbaren Datentransport in einem Netzwerk verantwortlich.The behavior of known automation devices is characterized by a hierarchical behavior. For example, a controller communicates with the sensors and actuators via a fieldbus. The sensors are, so to speak, "asked" for new measured values and only after a request the "answer" is sent back to the control system via the fieldbus. The control system hereby specifies an ordering system that also solves the problem of determinability. Such systems are also referred to as the master / slave principle, which allows response times in control processes According to the state of the art, the automation device itself is responsible for the determinable data transport in a network.
In bekannten Ethernetnetzwerken werden Netzwerkinfrastrukturgeräte, z.B. Hubs oder Switches, eingesetzt. Hubs dienen hierbei zur Einkopplung von Verbrauchergeräten ins Netzwerk. Ihre Funktion beschränkt sich im Wesentlichen auf die Signalaufbereitung und die Netzwerkarbitrierung, die letztlich entscheidet, welche Nachrichten weitergeleitet werden und welche zurückgewiesen bzw. verworfen werden. Da selbst 100 Mbit Ethernetnetzwerke schon ab ca. 10% Netzwerklast deutlich an Effizienz verlieren, wurden sogenannte Switches entwickelt, die den Datenverkehr im Sinne der Effizienz in einem Netzwerk regeln. Im Gegensatz zu Hubs werden keine Nachrichten verworfen sondern ggf. zwischengespeichert und zu einem späteren, nicht streng zeitlich determinierbaren Zeitpunkt weitergeleitet.In known Ethernet networks, network infrastructure devices, e.g. Hubs or switches. Hubs are used to connect consumer devices to the network. Their function is essentially limited to signal processing and network arbitration, which ultimately decides which messages are forwarded and which are rejected or rejected. Since even 100 Mbit Ethernet networks lose efficiency from a network load of around 10%, so-called switches have been developed that regulate data traffic in terms of efficiency in a network. In contrast to hubs, no messages are discarded, but rather temporarily stored and forwarded at a later point in time that cannot be determined strictly in time.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbau eines vorzugsweise auf Ethernet basierenden Kommunikationssystems für die Industrieautomation bereitzustellen, das ein zeitlich determinierbares Kommunikationsverhalten aufweist. Vorzugsweise sollen die Reaktionszeiten im unteren Millisekundenbereich liegen.The object of the invention is to provide a method for setting up a communication system, preferably based on Ethernet, for industrial automation, which has a time-determinable communication behavior. The response times should preferably be in the lower millisecond range.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Netzwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 29 und eine Schalteinrichtung für das Netzwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 30. Das erfindungsgemäße Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten bzw. Verbrauchern, weist erfindungsgemäß mit den Anschlussgeräten verbundene Schalteinrichtungen auf. DieThe object is achieved according to the invention by a method for the multidirectional exchange of data records according to claim 1 and by a network for carrying out the method according to claim 29 and a switching device for the network for carrying out the method according to claim 30. The method according to the invention for the multidirectional exchange of data records between connection devices or consumers connected to one another via a network has switching devices according to the invention connected to the connection devices. The
Netzwerkverbindung erfolgt sodann durch das Verbinden der einzelnen Schalteinrichtungen miteinander. Diese Verbindung kann beispielsweise direkt von Schalteinrichtung zu Schalteinrichtung oder über Hubs erfolgen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der zeitlich determinierbare Datentransport durch die Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen sind somit erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass von diesen die Daten zeitlich determiniert versendet werden. Erfindungsgemäß erfolgt somit die zeitliche Determinierbarkeit des Netzwerkes nicht wie bei Feldbus-Systemen im Anschluss- bzw. Automatisierungsgerät selbst, sondern mit Hilfe der Schalteinrichtung. Die Automatisierungsgeräte können somit zu jedem beliebigen Zeitpunkt Daten versenden. Die bei der Automatisierung erforderliche Determinierbarkeit wird sodann von den mit den Anschluss- bzw. Automatisierungsgeräten verbundenen Schalteinrichtungen realisiert.Network connection then takes place by connecting the individual switching devices to one another. This connection can be made, for example, directly from the switching device to the switching device or via hubs. According to the method according to the invention, the time-definable data transport takes place through the switching devices. The switching devices are thus constructed according to the invention in such a way that the data are sent from them in a time-determined manner. According to the invention, the time determinability of the network is therefore not, as in the case of fieldbus systems, in the connection or automation device itself, but with the aid of the switching device. The automation devices can thus send data at any time. The determinability required for automation is then realized by the switching devices connected to the connection or automation devices.
Vorzugsweise wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sendereihenfolge der einzelnen Schalteinrichtungen automatisch festgelegt. Durch das Festlegen der Sendereihenfolge wird eine Kollision von Datensätzen in dem Netzwerk vermieden. Die Reaktionszeit des Netzwerkes ist somit zeitlich determinierbar. Beispielsweise in Abhängigkeit der zugelassenen Datensatzlängen ist ein maximaler Zeitraum, in dem ein Datensatz eines Anschlussgerätes versendet wird, bestimmbar. Es sind somit maximale Reaktionszeiten bestimmbar. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Schalteinrichtungen, die in einer automatisch festgelegten Sendereihenfolge Datensätze versenden können, ist es somit insbesondere möglich, das Netzwerk auf Ethernet-Basis aufzubauen. Erfindungsgemäß sind die Vorteile des Ethernet somit mit den Anforderungen für die Industrieautomation verbunden. Die mit den Schalteinrichtungen verbundenen Anschlussgeräte bzw. Verbraucher können weiterhin zu beliebigen Zeitpunkten Datensätze an die Schalteinrichtungen übermitteln. Die Sendereihenfolge wird erfindungsgemäß ausschließlich mit Hilfe der zwischengeschalteten Schalteinrichtungen vorgenommen.The transmission sequence of the individual switching devices is preferably determined automatically according to the method according to the invention. By setting the transmission order, a collision of data records in the network is avoided. The response time of the network can thus be determined in time. For example, depending on the permitted data record lengths, a maximum period in which a data record of a connection device is sent can be determined. Maximum response times can thus be determined. The provision of switching devices according to the invention, which can send data records in an automatically determined transmission sequence, makes it possible in particular to set up the network on an Ethernet basis. According to the invention, the advantages of Ethernet are thus linked to the requirements for industrial automation. The connection devices or consumers connected to the switching devices can continue to transmit data records to the switching devices at any time. According to the invention, the transmission sequence is carried out exclusively with the aid of the intermediate switching devices.
Vorzugsweise werden den zu versendenden Datensätzen Prioritäten zugeordnet. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise die Datensätze mit hoher Priorität häufiger versendet als Datensätze mit niedrigerer Priorität. Es ist somit beispielsweise möglich, dass eine Schalteinrichtung, sobald sie nach der Sendereihenfolge zum Versenden eines Datensatzes an der Reihe ist, Datensätze mit hoher Priorität vorzieht. Datensätze mit hoher Priorität können somit Datensätze mit niedrigerer Priorität innerhalb einer Schalteinrichtung überholen. Beispielsweise sendet jede Schalteinrichtung bei jedem zweiten Sendevorgang stets den ihr vorliegenden Datensatz mit der höchsten Priorität. Die Anzahl der verwendeten Prioritäten sowie ein geeignetes Regelwerk, wann welche Prioritäten bevorzugt gesendet werden, kann insbesondere in Abhängigkeit der Anlage, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, optimiert werden. Hierbei muss insbesondere die maximal zulässige Reaktionszeit des Systems berücksichtigt werden.Priorities are preferably assigned to the data records to be sent. According to the invention, the data records with high priority are preferably sent more frequently than data records with lower priority. It is thus possible, for example, for a switching device to prefer data records with high priority as soon as it is their turn to send a data record in accordance with the transmission sequence. High-priority data records can thus overtake lower-priority data records within a switching device. For example, every switching device always sends its existing data record with the highest priority every second transmission process. The number of priorities used and a suitable set of rules regarding when which priorities are preferred can be optimized in particular depending on the system that is operated with the method according to the invention. The maximum permissible system response time must be taken into account.
Zur automatischen Festlegung der Sendereihenfolge erfolgt vorzugsweise eine Vergabe von laufenden Sendeberechtigungsnummern für die einzelnen Anschlüsse der Schalteinrichtungen oder die Datensätze der einzelnen Anschlussgeräte. Insbesondere jedem Anschluss der Schalteinrichtung, der mit einem Anschlussgerät bzw. einem Verbraucher verbunden bzw. verbindbar ist, ist erfindungsgemäß somit eine Sendeberechtigungsnummer zugeordnet. Das Senden von Datensätzen erfolgt erfindungsgemäß sodann stets in der vorgegebenen Reihenfolge.For the automatic determination of the transmission sequence, it is preferable to assign current transmission authorization numbers for the individual connections of the switching devices or the data records of the individual connection devices. In particular, each connection of the switching device that is connected or can be connected to a connection device or a consumer is thus assigned a transmission authorization number. According to the invention, data records are then always sent in the specified order.
Besonders bevorzugt ist es, die Vergabe der Sendeberechtigungsnummer auf Grundlage der Ethernetadresse des jeweiligen Anschlusses der Schalteinrichtung oder der Ethernetadresse des Anschlussgerätes zu bestimmen. Derartige Ethernetadressen sind eindeutig und kommen in keinem Netzwerk doppelt vor. Es kann somit auf einfache Weise anhand eines Vergleichs sämtlicher Ethernetadressen, beispielsweise der Anschlüsse der Schalteinrichtungen, eine Hierarchie, beispielsweise nach aufsteigender Ethernetnummer, festgelegt werden. Vorzugsweise wird von jeder Schalteinrichtung hierzu die Ethernetadresse der einzelnen Anschlüsse oder die Ethernetadresse der Anschlussgeräte an sämtliche andere Schalteinrichtungen, die sich in dem Netzwerk befinden, gesendet. Somit sind jeder Schalteinrichtung sämtliche Ethernetadressen bekannt. Jede Schalteinrichtung kann sodann eine beispielsweise aufsteigende Liste der Ethernetadressen erstellen, so dass der eigene Sendeplatz für jeden einzelnen Anschluss der Schalteinrichtung festgelegt und der entsprechenden Schalteinrichtung bekannt ist.It is particularly preferred to assign the transmission authorization number on the basis of the Ethernet address of the respective connection Switching device or the Ethernet address of the connection device. Such Ethernet addresses are unique and do not appear twice in any network. A hierarchy, for example according to the ascending Ethernet number, can thus be determined in a simple manner on the basis of a comparison of all Ethernet addresses, for example the connections of the switching devices. For this purpose, each switching device preferably sends the Ethernet address of the individual connections or the Ethernet address of the connection devices to all other switching devices that are located in the network. Every switching device is therefore aware of all Ethernet addresses. Each switching device can then create an ascending list of the Ethernet addresses, for example, so that its own transmission location is defined for each individual connection of the switching device and is known to the corresponding switching device.
Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Schalteinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Logikeinheit, die mindestens eine Speichereinheit und einen Anschluss für ein ethernetbasiertes Anschlussgerät sowie mindestens einen weiteren Anschluss zur Verbindung mit dem Netzwerk, d.h. mit anderen Schalteinrichtungen oder Hubs, aufweist. Derartige Schalteinrichtungen werden im Folgenden als „Quality of Service Switches" (QoS-Switch) bezeichnet.The switching device required to carry out the method according to the invention is preferably an electronic logic unit which has at least one memory unit and a connection for an ethernet-based connection device and at least one further connection for connection to the network, i.e. with other switching devices or hubs. Switching devices of this type are referred to below as "Quality of Service Switches" (QoS switch).
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mittels der Schalteinrichtungen, bzw. QoS-Switches, ohne die Verwendung von komplexen Projektierungstools (Softwaretools) sowohl sternförmige, wie auch linienförmige Automatisierungstopologien aufgebaut werden können, sodass die Verkabelung optimal der dezentralen Automatisierungsstruktur angepasst werden kann.The method according to the invention is characterized in particular by the fact that by means of the switching devices or QoS switches, both star-shaped and linear automation topologies can be set up without the use of complex configuration tools (software tools), so that the cabling can be optimally adapted to the decentralized automation structure ,
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ferner möglich mit im Vergleich zu handelsüblichen Switches deutlich geringerem Hard- und Softwareaufwand einen QoS-Switch aufzubauen. Der QoS-Switch kann als kostengünstige Einchiplösung mit integriertem oder extern verschalteten Speicherbaustein ohne Verwendung von aufwendigenThe method according to the invention also makes it possible with hardware and hardware that are significantly smaller than those of commercially available switches Software effort to build a QoS switch. The QoS switch can be a cost-effective single-chip solution with an integrated or externally connected memory chip without the use of complex
Mikroprozessorarchitekturen hergestellt werden.Microprocessor architectures are manufactured.
Besonders kostengünstig und platzsparend kann der QoS-Switch unter Wegfall des Ethernet-Verbraucheranschlusses, bzw. Ethernet-Anschlussgeräte- Anschluss, direkt in den jeweiligen Teilnehmer integriert werden. Eine MAC (Media Access Control) und der Physical können dann entfallen.The QoS switch can be directly and cost-effectively integrated into the respective subscriber, eliminating the Ethernet consumer connection or the Ethernet connection device connection. A MAC (Media Access Control) and the physical can then be omitted.
Vorteilhaft ist es auch, mehrere QoS-Switch durch Wegfall der entsprechenden MACs und Physicals in einem Mehrport-QoS-Switch mit entsprechend vielen Verbraucheranschlüssen zu integrieren.It is also advantageous to integrate several QoS switches by eliminating the corresponding MACs and physicals in a multi-port QoS switch with a corresponding number of consumer connections.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:The method according to the invention is characterized in particular by the following advantages:
1. Es werden Quality of Services mit der priorisierten Behandlung von Nachrichten ermöglicht, von denen mehr als zwei Nachrichtenprioritäten unterstützt werden können.1. Quality of services are made possible with the prioritized handling of messages, of which more than two message priorities can be supported.
2. Die QoS-Switches können gemischt mit Hubs in einem Netzwerk betrieben werden, ohne dass die Eigenschaften der zeitlichen Determinierbarkeit des Nachrichtenaustausches verloren gehen.2. The QoS switches can be operated mixed with hubs in a network without losing the properties of the temporal determinability of the message exchange.
3. Der topologische Netzwerkaufbau erlaubt neben der linienförmigen Topologie auch sternförmige oder gemischte Strukturen.3. In addition to the linear topology, the topological network structure also allows star-shaped or mixed structures.
4. Die Ausnutzung der Bandbreite des Ethernetsystems ist nach wie vor in effizienter Weise gegeben. Zur schnelleren Behandlung von Nachrichten dient im beschriebenen Verfahren die Nachrichtenpriorisierung. 5. Zu jeder Zeit können höher priorisierte Nachrichten nieder priorisierte Nachrichten überholen.4. The use of the bandwidth of the Ethernet system is still efficient. Message prioritization is used in the described method for faster handling of messages. 5. Higher priority messages can overtake lower priority messages at any time.
6. Mittels QoS-Switches lassen sich streng determinierbare Netzwerkbereiche schaffen, die mit weiteren Netzwerkbereichen, z.B. Office domains, ebenfalls über QoS-Switches gekoppelt werden können.6.QoS switches can be used to create strictly determinable network areas that can be linked to other network areas, e.g. Office domains, can also be coupled via QoS switches.
7. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Nachrichten direkt, d.h. nur durch Laufzeiten in der Logik verzögert an den Empfänger versendet bzw. weitergeleitet werden, sind deutlich bessere Uhrenabgleichgenauigkeiten bzw. Clock-Synchronisations-Zeiten, als in bekannten Ethernetnetzwerken realisierbar.7. Since all messages are direct, i.e. only delayed sending or forwarding to the receiver due to delay times in the logic are significantly better clock balancing accuracies or clock synchronization times than can be achieved in known Ethernet networks.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und Beispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments and examples with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Netzwerks mit erfindungsgemäß vorgesehenen Schalteinrichtungen,1 shows a schematic illustration of an example of a network with switching devices provided according to the invention,
Fig. 2 eine die Senderechte mehrerer Teilnehmer darstellende Tabelle,2 is a table showing the transmission rights of several participants,
Fign. 3-6 eine schematische Darstellung mehrerer aufeinanderfolgender Sendezyklen,FIGS. 3-6 a schematic representation of several successive transmission cycles,
Fig. 7 ein Diagramm der Reaktionszeit in Abhängigkeit unterschiedlicherFig. 7 is a diagram of the response time depending on different
Prioritäten,Priorities,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Nachrichtenzyklus und Fig. 9 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung.8 shows a schematic representation of a message cycle and Fig. 9 is a schematic representation of the switching device.
Mittels Quality of Services Switches (QoS-Switches) 10 wird eine aktive ethernetgebundene Netzwerkstruktur aufgebaut. Jeder QoS-Switch 10 hat dabei mindestens einen Verbraucher- bzw. Anschlussgeräte-Anschluss 12 und mindestens einen Netzwerkanschluss 14. Der Verbraucheranschluss 12 wird mit den Verbrauchern, bzw. Anschlussgeräten, verbunden und der Netzwerkanschluss 14 wird entweder direkt mit einem Netzwerkanschluss 14 eines weiteren QoS-Switches 10 verbunden oder mit handelsüblichen Netzwerkinfrastrukturkomponenten wie z.B. Hubs 16. Wichtig in diesem Verfahren ist es innerhalb des Netzwerkes nurAn active ethernet-linked network structure is set up using quality of services switches (QoS switches) 10. Each QoS switch 10 has at least one consumer or connection device connection 12 and at least one network connection 14. The consumer connection 12 is connected to the consumers or connection devices, and the network connection 14 is either connected directly to a network connection 14 of a further QoS -Switches 10 connected or with commercially available network infrastructure components such as Hubs 16. It is only important in this procedure within the network
Netzwerkinfrastrukturkomponenten zu verwenden, die auch alle einlaufenden Nachrichten an alle Ports wieder ausgeben. Zur Ankopplung weiterer Netzwerke (z. B. eines Office Netzwerkes) können über die Verbraucheranschlüsse auch Switches 18 angeschlossen werden.To use network infrastructure components that also output all incoming messages to all ports. Switches 18 can also be connected via the consumer connections to connect further networks (for example an office network).
Die Verbraucher, bzw. Anschlussgeräte, 20 dürfen in diesem Verfahren nur an die Verbraucheranschlüsse 12 der QoS-Switches 10 angeschlossen werden.In this method, the consumers or connecting devices 20 may only be connected to the consumer connections 12 of the QoS switches 10.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind zwanzig Anschlussgeräte 20 über QoS-Switches 10 und Hubs 16 verschaltet. In Fig. 1 ist sowohl die sternförmige wie auch linienförmige Kopplung von Verbrauchern erkennbar. QoS-Switches 10 können direkt zwischen Verbraucher 20 und Hub 16 geschaltet werden und erlauben auch das Weiterschleifen der Verkabelung zum nächsten QoS-Switch 10.In the example shown in FIG. 1, twenty connection devices 20 are connected via QoS switches 10 and hubs 16. In Fig. 1, both the star-shaped and line-shaped coupling of consumers can be seen. QoS switches 10 can be connected directly between consumer 20 and hub 16 and also allow the wiring to be looped through to the next QoS switch 10.
Jeder Verbraucheranschluss 12 der QoS-Switches 10 erhält umlaufend das Senderecht für eine Nachricht. Die Sendeberechtigung wird aus einer fortlaufenden Nummer entnommen, welche die Sendeposition beschreibt. Hat ein QoS-Switch 10 mehrere Verbraucheranschlüsse 12 wird jedem Verbraucheranschluss 12 pro QoS-Switch 10 eine Nummer zugeordnet. Vorteilhaft ist es, wenn die Nummern der Verbraucheranschlüsse 12 pro QoS- Switch 10 fortlaufend zugeordnet werden. Der Verbraucheranschluss 12 mit der Nummer „1" erhält zuerst das Senderecht für eine Nachricht bzw. einen Datensatz. Da alle Datensätze alle QoS-Switches 18 und Hubs 16 durchlaufen, können alle anderen Verbraucheranschlüsse 12 den Sendefluss von Nachrichten beobachten und zählen die Anzahl der gesendeten Datensätze mit, um so ihre eigene Sendeposition zu ermitteln. Anschließend sendet der QoS-Switch 10 dessen Verbraucheranschluss 12 die Nummer „2" besitzt usw.. Haben alle QoS-Switches 10 entsprechend ihrer Anzahl der Verbraucheranschlüsse 12 ihre Nachrichten gesendet, erfolgt eine Sendepause, die das Ende eines Sendezyklus kennzeichnet. Nach Ablauf der Sendepause startet der QoS-Switch 10 dessen Verbraucheranschluss die Nummer „1" besitzt den nächsten Sendezyklus. D. h. die anliegende Nachricht des Verbraucherabschlusses 12 mit der laufenden Nummer „1" wird gesendet.Each consumer connection 12 of the QoS switches 10 receives the right to send a message all round. The send authorization is taken from a consecutive number that describes the send position. If a QoS switch 10 has several consumer connections 12, a number is assigned to each consumer connection 12 per QoS switch 10. It is advantageous if the numbers of the consumer connections 12 per QoS Switch 10 can be assigned continuously. The consumer connection 12 with the number "1" first receives the right to send a message or a data record. Since all data records pass through all QoS switches 18 and hubs 16, all other consumer connections 12 can observe the flow of messages and count the number of messages sent The QoS switch 10 then sends its consumer connection 12 has the number “2”, etc. If all QoS switches 10 have sent their messages in accordance with their number of consumer connections 12, there is a transmission pause, which marks the end of a transmission cycle. After the end of the transmission break, the QoS switch 10 whose consumer connection has the number “1” has the next transmission cycle. That is, the pending message of the consumer termination 12 with the serial number “1” is sent.
Sollte ein Verbraucheranschluss 12 keine neuen Nachrichten (vom Verbraucher) anliegen haben, sendet er trotzdem eine Nachricht (Dummy), damit die folgenden Verbraucheranschlüsse 12 ihre korrekte Sendeposition ermitteln können. Vorteilhaft ist es, wenn in diesem Fall eine möglichst kurze Nachricht versendet wird und die Nachricht an keinen Empfänger in diesem Netzwerk gerichtet ist. So wird das Netzwerk nicht mit unnötig langen Nachrichten belastet und die Verbraucher 20 können entlastet werden.If a consumer connection 12 has no new messages (from the consumer), it still sends a message (dummy) so that the following consumer connections 12 can determine their correct transmission position. It is advantageous if in this case the shortest possible message is sent and the message is not directed to any recipient in this network. In this way, the network is not burdened with unnecessarily long messages and the consumers 20 can be relieved.
Jedem Verbraucheranschluss 12 ist ein Empfangsspeicher zugeordnet, in den alle vom Verbraucher 20 gesendeten Datensätze einlaufen. Jedem Verbraucheranschluss 12 pro QoS-Switch 10 wird eine Ethernetempfangsadresse (Destination) zugeordnet, die identisch mit der Empfangsadresse des angeschlossnen Verbrauchers 20 ist. Diese kann direkt aus dem Protokollverkehr mit dem Verbraucher, bzw. mit dem Anschlussgerät, 20 entnommen werden. So ist sichergestellt, dass jeder Verbraucher 20 mit jedem anderen Verbraucher 20 Nachrichten, bzw. Datensätze, austauschen kann. Vorteilhaft ist es, dass nur Nachrichten vom QoS-Switch 10 an die Verbraucher 20 weitergeleitet werden, dessen Empfangsadresse mit der der Nachricht identisch ist. Das System kann derart erweitert werden, dass auch Multicast und Broadcast Nachrichten übermittelt werden können. In diesem Fall wird im QoS-Switch 10 pro Verbraucheranschluss 12 und pro Nachricht eine Überprüfung auf mehrere Adressen (bzw. Adressräume) durchgeführt.A reception memory is assigned to each consumer connection 12, into which all data records sent by the consumer 20 enter. Each consumer connection 12 per QoS switch 10 is assigned an Ethernet reception address (destination) which is identical to the reception address of the connected consumer 20. This can be taken directly from the protocol traffic with the consumer or with the connection device 20. This ensures that every consumer 20 can exchange 20 messages or data records with every other consumer 20. It is advantageous that only messages from the QoS switch 10 are forwarded to the consumers 20, whose receive address matches that of the Message is identical. The system can be expanded in such a way that multicast and broadcast messages can also be transmitted. In this case, a check for multiple addresses (or address spaces) is carried out in the QoS switch 10 per consumer connection 12 and per message.
Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass Nachrichten die zu Steuerungszwecken in der Automatisierung dienen, kurze Nachrichtenlängen haben und häufig zeitlich determinierbar gesendet werden müssen. Diese Nachrichten sollten dann mit hohen Prioritäten behandelt werden.In general, it can be assumed that messages that are used for control purposes in automation, have short message lengths and often have to be sent in a time-determinable manner. These messages should then be given high priority.
Jeder Nachricht kann nach IEEE 802.1p eine Priorität zugeordnet werden, die im IP Protokoll festgelegt ist und die Quality of Services (QoS) unterstützt.According to IEEE 802.1p, each message can be assigned a priority, which is defined in the IP protocol and supports the Quality of Services (QoS).
Während des Einlaufs der Nachricht überprüft die Steuerlogik des QoS-Switch 10 im IP-Bereich des Telegramms die Priorität der Nachricht und legt anschließend die Sendereihenfolge aller Nachrichten, bzw. Datensätze, die noch im QoS-Switch 10 verweilen, neu fest. So ist es möglich, dass später eingelaufene Nachrichten mit hoher Priorität, Nachrichten mit niederer Priorität im QoS-Switch „überholen" können.During the arrival of the message, the control logic of the QoS switch 10 checks the priority of the message in the IP range of the telegram and then redefines the transmission sequence of all messages or data records that still remain in the QoS switch 10. So it is possible that later received messages with high priority, messages with low priority can "overtake" in the QoS switch.
Der QoS-Switch 10 kann so ausgeführt bzw. parametrisiert werden, dass er weniger Prioritäten als in IEEE 802.1p (7 Klassen) festgelegt sind, unterstützt. In diesem Fall werden alle Prioritäten, welche kleiner gleich III sind mit Priorität III behandelt.The QoS switch 10 can be designed or parameterized so that it supports fewer priorities than specified in IEEE 802.1p (7 classes). In this case, all priorities that are less than or equal to III are treated with priority III.
Optional können jeder Prioritätsklasse I bis III maximale Nachrichtenlängen zugeordnet werden. In der Automatisierung ist dies zweckmäßig, da die Nachrichtenlängen für sicherheitsrelevante Nachrichten im allgemeinen kürzer sind als reine Steuerungsnachrichten, die wiederum kürzer sein werden, als Nachrichten die zu Visualisierungszwecken oder allgemeinen Managementfunktionen dienen und immer häufiger durch klassische Internetdienste (z. B. http Server) bedient werden. In diesem Fall, kann die Nachrichtenlänge pro Priorität begrenzt werden. Sollte eine Nachricht diese Länge überschreiten, so wird sie dann automatisch mit der nächst niedrigeren Priorität behandelt. Diese Option ist von Vorteil, um möglichst kurze Reaktionszeiten für hochpriorisierte Nachrichten zu erhalten, und um diese auch zeitlich determinierbar berechnen zu können.Optionally, maximum message lengths can be assigned to each priority class I to III. This is expedient in automation, since the message lengths for security-relevant messages are generally shorter than pure control messages, which in turn will be shorter than messages that are used for visualization purposes or general management functions and more and more frequently due to classic Internet services (e.g. http server) to be served. In this case, the message length per priority can be limited. If a message exceeds this length, it will automatically be treated with the next lower priority. This option is advantageous in order to obtain the shortest possible response times for high-priority messages and to be able to calculate them in a time-determinable manner.
Zum Aufbau einer einfachen und preiswerten Logistik ist es vorteilhaft, pro Sendezyklus einen Quality of Service zu bedienen, wobei alle Nachrichten mit höchster Priorität innerhalb eines ersten Sendezyklus gesendet werden. Das heißt, in einem ersten Sendezyklus werden von den Verbraucheranschlüssen der QoS-Switches alle Nachrichten mit der Priorität I gesendet.To set up simple and inexpensive logistics, it is advantageous to operate a quality of service per transmission cycle, with all messages being sent with the highest priority within a first transmission cycle. This means that all messages with priority I are sent by the consumer connections of the QoS switches in a first transmission cycle.
Nachrichten mit niederer Priorität werden dann in weiteren folgenden Nachrichtenzyklen behandelt. Da im Ethernet auch längere Nachrichten (TCP/IP, http, FTP...) versendet werden müssen und sie im allgemeinen nicht so hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit stellen, sollten diese Nachrichten mit niedrigeren Prioritäten behandelt werden. Um aber den Nachrichten mit Priorität I auch die höchste Wiederholrate garantieren zu können, wird in dem folgenden Sendezyklus nur ein Teil der Nachrichten mit der Priorität II versendet. Damit jedoch auch Nachrichten mit niederer Priorität zeitlich determinierbar gesendet und empfangen werden können, werden in einer festen Anzahl von Nachrichtenzyklen alle jeweils zu einer Priorität gehörenden Nachrichten garantiert zeitlich determinierbar behandelt.Lower priority messages are then handled in subsequent message cycles. Since longer messages (TCP / IP, http, FTP ...) also have to be sent in Ethernet and they generally do not place such high demands on real-time capability, these messages should be treated with lower priorities. However, in order to be able to guarantee the highest repetition rate for the messages with priority I, only a part of the messages with priority II is sent in the following transmission cycle. However, so that messages with lower priority can also be sent and received in a time-determinable manner, all messages belonging to a priority are guaranteed to be time-determinable in a fixed number of message cycles.
Dies ist nachfolgend anhand eines Beispiels mit drei Nachrichtenprioritäten (QoS) näher erläutert:This is explained in more detail below using an example with three message priorities (QoS):
In diesem Beispiel sind die Nachrichtenprioritäten in einem ethernetbasierenden Automatisierungsnetzwerk wie folgt aufgeteilt: Ethernetpaketlänge max.In this example, the message priorities in an Ethernet-based automation network are divided as follows: Ethernet packet length max.
Sicherheitsrelevante = Priorität I; 96 ByteSecurity-relevant = priority I; 96 bytes
Nachrichtennews
Steuerungsnachrichten = Priorität II; 256 ByteControl messages = priority II; 256 bytes
Nachrichten allgemein = Priorität III; 1526 ByteGeneral messages = priority III; 1526 bytes
In diesem Beispiel erhalten alle Nachrichten der Priorität I ein Senderecht im ersten Sendezyklus. Im nächsten Sendezyklus erhält die Hälfte aller Nachrichten der Priorität II und in einem dritten Sendezyklus 1A aller Nachrichten der Priorität III Senderechte, bzw. werden übertragen.In this example, all priority I messages receive a send right in the first send cycle. In the next transmission cycle, the half receive all messages of priority II and in a third transmission cycle 1 A of all messages of priority III transmission rights, or to be transmitted.
Die Steuerung der Senderechte pro Verbraucheranschluss kann der Tabelle nach Fig. 2 entnommen werden.The control of the transmission rights per consumer connection can be found in the table in FIG. 2.
In der Tabelle sind 12 Nachrichtenzyklen dargestellt, die jeweils durch eine Pause zur Synchronisierung des gesamten Systems getrennt sind. Nach Ablauf des 12. Sendezyklus wird mit Sendezyklus 1 nach einer Pause wieder aufgesetzt. In jeweils drei hintereinander folgenden Nachrichtenzyklen erfolgt die Behandlung der Nachrichtenprioritäten I bis III.The table shows 12 message cycles, each separated by a pause to synchronize the entire system. After the end of the 12th transmission cycle, transmission cycle 1 is restarted after a pause. Message priorities I to III are handled in three successive message cycles.
Jeder Verbraucheranschluss wertet die zwei unteren Bits seiner Sendeberechtigungs- Nummer aus. Die Nachrichtenzyklen zu denen jeweils die Behandlung der Nachrichtenprioritäten von I bis III korrespondiert, werden über einen Zähler pro Anschlussgeräte-Anschluss 12 durch die QoS-Switches 10 mitgeführt. Durch Auswertung der Tabelle wird ermittelt, ob im jeweiligen Sendezyklus unter Berücksichtigung der eigenen Nummer eine Sendeberechtigung der entsprechend priorisierten Nachricht vorliegt. Logisch 0 bedeutet in der Tabelle, es liegt keine Sendeberechtigung vor und logisch 1 bedeutet, ein Datensatz wird gesendet. In Fign. 3-6 sind entsprechend der Tabelle (Fig. 2) erfolgende Sendezyklen mit 12 Anschlussgeräten und 3 Nachrichtenprioritäten (QoS) dargestellt. Hierbei sind die Nachrichten mit Priorität I, d.h. der höchsten Priorität, schraffiert, die Nachrichten mit Priorität II gepunktet und die Nachrichten der Priorität III weiß dargestellt. Jeweils ein 1., ein 2. und ein 3. Sendezyklus ist zur Veranschaulichung als Kreis dargestellt, wobei es sich bei dem ersten Sendezyklus um den Sendezyklus 22, bei dem zweiten um den Sendezyklus 24 und bei dem dritten um den Sendezyklus 26 handelt.Each consumer connection evaluates the two lower bits of its send authorization number. The message cycles to which the treatment of message priorities from I to III corresponds in each case are carried along by the QoS switches 10 via a counter per connection device connection 12. By evaluating the table, it is determined whether in the respective transmission cycle, taking into account one's own number, there is authorization to send the correspondingly prioritized message. Logical 0 means in the table that there is no authorization to send and logical 1 means that a data record is sent. In Figs. 3-6 are shown according to the table (Fig. 2) transmission cycles with 12 connection devices and 3 message priorities (QoS). The messages with priority I, ie the highest priority, are hatched, the messages with priority II are dotted and the messages with priority III are shown in white. For illustration purposes, a 1st, a 2nd and a 3rd transmission cycle is shown as a circle, the first transmission cycle being the transmission cycle 22, the second transmission cycle 24 and the third transmission cycle 26.
In einem ersten Umlauf (Fig. 3) wird in dem ersten Sendezyklus 22 von jedem Verbraucheranschluss, d.h. den Verbraucheranschlüssen mit den Nummern 1- 12, eine Nachricht mit der Priorität I versendet. Nach einer Pause 28 erfolgt ein Versenden von Datensätzen jedes zweiten Anschlussgerätes, d.h. der Anschlussgeräte mit den Nummern 1, 3, 5, 7, 9 und 11. Hierbei erfolgt in dem zweiten Sendezyklus 24 ein Versenden von Datensätzen der Priorität II. Nach einer weiteren Pause 30 werden in dem dritten Sendezyklus 26 Datensätze der Priorität III auf einem Viertel der Anschlussgeräte, bzw. einem Viertel der Verbraucheranschlüsse, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Anschlüsse mit den Nummern 4, 8 und 12, versendet.In a first round (Fig. 3) in the first transmission cycle 22 of each consumer connection, i.e. the consumer connections with the numbers 1- 12, a message with priority I sent. After a pause 28, data records are sent to every second connection device, i.e. of the connection devices with the numbers 1, 3, 5, 7, 9 and 11. In this case, data records of priority II are sent in the second transmission cycle 24. After a further pause 30, 26 data records of priority III become one quarter in the third transmission cycle the connection devices, or a quarter of the consumer connections, in the illustrated embodiment of the connections with the numbers 4, 8 and 12, sent.
Nach einer weiteren Pause 32 erfolgt wiederum ein Versenden der Nachrichten der höchsten Priorität in dem ersten Sendezyklus 22 (Fig. 4). Hierbei werden wieder Datensätze von sämtlichen Anschlussgeräten 1-12 versendet. Nach der Pause 34 werden im zweiten Sendezyklus 24 Datensätze der Hälfte der Geräte versendet. Hierbei handelt es sich um Datensätze derjenigen Geräte, von denen in dem ersten Umlauf (Fig. 3) keine Datensätze versendet wurden, d.h. um die Geräte 2, 4, 6, 8 10 und 12. Nach einer weiteren Pause 36 erfolgt ein Versenden von Datensätzen im dritten Sendezyklus 26, wobei Datensätze eines anderen Viertels der Geräte, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Geräte 1, 5 und 9, weitergeleitet werden. In den nächsten Umläufen (Fign. 5 und 6) erfolgt jeweils in den ersten Sendezyklen 22 ein Versenden von Datensätzen mit höchster Priorität, wobei jeweils Datensätze aller Anschlussgeräte versendet werden. Die sich daran anschließenden Sendezyklen 24 entsprechen den Sendezyklen, wie sie in den Fign. 3 bzw. 4 dargestellt sind. Der dritte Sendezyklus 26 enthält bei dem in Fig. 5 dargestellten Umlauf Datensätze der Geräte 2, 6, 8 und im nächsten Umlauf (Fig. 6) Datensätze der Geräte 3, 7, 11. Somit sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nach vier Umläufen (Fign. 3-6) vier mal Datensätze mit höchster Priorität sämtlicher Anschlussgeräte versendet worden. Datensätze der Priorität II sind in diesem Gesamtumlauf zwei mal versendet worden. Datensätze der Priorität III sind nach den vier Umläufen (Fig. 3-6) ein mal je Gerät versendet worden. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere bei Datensätzen mit einer hohen Priorität eine äußerst kurze Reaktionszeit realisierbar.After a further pause 32, the messages of the highest priority are again sent in the first transmission cycle 22 (FIG. 4). Data records from all connecting devices 1-12 are sent again. After the pause 34, 24 data records of half of the devices are sent in the second transmission cycle. These are data records of those devices from which no data records were sent in the first round (FIG. 3), ie devices 2, 4, 6, 8, 10 and 12. After a further pause 36, data records are sent in the third transmission cycle 26, data records of another quarter of the devices, in the illustrated embodiment of devices 1, 5 and 9, being forwarded. In the next rounds (FIGS. 5 and 6), data records with the highest priority are sent in the first transmission cycles 22, data records of all connecting devices being sent. The subsequent transmission cycles 24 correspond to the transmission cycles as shown in FIGS. 3 and 4 are shown. The third transmission cycle 26 contains data records of devices 2, 6, 8 in the cycle shown in FIG. 5 and data records of devices 3, 7, 11 in the next cycle (FIG. 6). Thus, after four cycles (FIGS. 3-6) four records with the highest priority of all connecting devices have been sent. Priority II records have been sent twice in this total circulation. Priority III records were sent once per device after the four rounds (Fig. 3-6). With this method according to the invention, an extremely short response time can be achieved, particularly in the case of data records with a high priority.
Prinzipiell kann diese Methode auf die Behandlung weiterer Prioritäten ausgedehnt werden und es sind auch weitere Möglichkeiten der Lastbegrenzung niederer Nachrichtenprioritäten gegeben.In principle, this method can be extended to the treatment of further priorities and there are also other options for load limitation of lower message priorities.
Durch diese Methode lässt sich mit den maximal bekannten Datenlängen, der Baudrate, dem Interframegap, der Anzahl der Teilnehmer, die geradzahlig aufgerundet werden müssen, eine determinierbare Übermittlungszeit für einen Datensatz ermitteln. Die Übermittlungszeit und damit die Reaktionszeit ist durch folgende Formeln bestimmt:With this method, a determinable transmission time for a data set can be determined with the maximum known data lengths, the baud rate, the interframe gap, the number of participants that have to be rounded up evenly. The transmission time and thus the reaction time is determined by the following formulas:
mit: x = Priorität (x = i bis )with: x = priority ( x = i to)
Rx = Reaktionszeit in usec (worst case) mit der Priorität xR x = response time in usec (worst case) with priority x
Tx = Zeit eines Telegramms in usec bei 100 Mbit Fast Ethernet mit der Priorität x Dx = maximale Länge des jeweiligen Ethernetprotokolls in ByteT x = time of a telegram in usec with 100 Mbit Fast Ethernet with priority x D x = maximum length of the respective Ethernet protocol in bytes
T| = Zeit des Interframegap (ca.l usec)T | = Time of the interframe gap (approx. 1 usec)
n = auf eine gerade Zahl aufgerundete Anzahl der betriebenen Verbraucheranschlüssen = number of consumer connections operated rounded up to an even number
P = Pause (in usec)P = pause (in usec)
folgt: Tx = Dx x 8/100.000 + T, (usec)follows: T x = D x x 8 / 100,000 + T, (usec)
RI = n x TI + n/2 x TU + n/4 x Till + 3 x P RII = 2 x RI RIII = 4 x RIRI = n x TI + n / 2 x TU + n / 4 x Till + 3 x P RII = 2 x RI RIII = 4 x RI
Mit oben angegebener Formel lassen sich in dem in Fign. 3-6 dargestellten Beispiel die garantierten Reaktionszeiten ermitteln:With the formula given above, in the 3-6 shown example determine the guaranteed response times:
Mit: P = 10 usec; DΪ = 96 Byte; Dπ = 256 Byte; Dm = 1526 Byte = max.; folgt der in Fig. 7 dargestellte Graph. In dem dargestellten Diagramm zeigt die gestrichelte Linie die maximale Reaktionszeit in Abhängigkeit der Anzahl der Anschlussgeräte für Nachrichten der höchsten Priorität, d.h. der Priorität I. Für Nachrichten der Priorität II ist die Reaktionszeit durch eine durchgezogene Linie und für Nachrichten der Priorität III durch eine strichpunktierte Linie dargestellt.With: P = 10 usec; D Ϊ = 96 bytes; D π = 256 bytes; D m = 1526 bytes = max .; the graph shown in FIG. 7 follows. In the diagram shown, the dashed line shows the maximum response time depending on the number of connection devices for messages of the highest priority, ie priority I. For messages of priority II, the response time is by a solid line and for messages of priority III by a dash-dotted line shown.
Jeder QoS-Switch 10 besitzt pro Verbraucheranschluss 12 eine eigene eindeutige Ethernetadresse. Diese dienen zu Diagnose- und Managementzwecken und werden erfindungsgemäß zur Bestimmung der Sendeberechtigungsnummer genutzt. Die Sendeberechtigungsnummer ist gleichbedeutend mit der Sendeposition des Verbraucheranschlusses. Die Sendeberechtigungsnummer wird aus allen am Netzwerk beteiligten Ethernetadressen der Verbraucheranschlüsse ermittelt. So erhält z. B. der Verbraucheranschluss mit der niedrigsten Ethernetadresse die Sendeberechtigungsnummer 1. Der Verbraucheranschluss mit der nächst höheren Ethernetadresse erhält die Nummer 2 usw.. Die Steuerlogik eines jeden Verbraucheranschlusses muss hierzu Kenntnis über alle Ethernetadressen der im Netzwerk befindlichen Verbraucheranschlüsse besitzen. Der gegenseitige Austausch aller Ethernetadressen der Verbraucheranschlüsse erfolgt durch Senden der eigenen Ethernetadresse an alle anderen QoS-Switches 10. Zum Austausch dieser Adressen werden die Pausen nach den Nachrichtenzyklen genutzt. In Fig. 8 ist ein typischer Sendezyklus dargestellt. Am Ende eines jeden Sendezyklus erfolgt eine Pause, die aus Pl und P2 besteht.Each QoS switch 10 has its own unique Ethernet address per consumer connection 12. These are used for diagnostic and management purposes and are used according to the invention for determining the authorization number. The send authorization number is synonymous with the send position of the consumer connection. The Send authorization number is determined from all Ethernet addresses of the consumer connections involved in the network. So z. For example, the consumer connection with the lowest Ethernet address has the send authorization number 1. The consumer connection with the next higher Ethernet address has the number 2 etc. The control logic of each consumer connection must have knowledge of all Ethernet addresses of the consumer connections in the network. The mutual exchange of all Ethernet addresses of the consumer connections takes place by sending the own Ethernet address to all other QoS switches 10. The pauses after the message cycles are used to exchange these addresses. A typical transmission cycle is shown in FIG. At the end of each transmission cycle there is a pause consisting of P1 and P2.
Werden innerhalb der Pausen Pl und P2 keine Nachrichten empfangen, startet der Verbraucheranschluss mit der Sendeberechtigungsnummer 1 den nächsten Sendezyklus. Innerhalb eines Sendezyklus werden nur Nachrichten von schon angemeldeten Verbraucheranschlüssen gesendet.If no messages are received within the breaks P1 and P2, the consumer connection with the authorization number 1 starts the next transmission cycle. Within a send cycle, only messages from consumer connections that have already been registered are sent.
Wird nun ein neuer QoS-Switch 10 dem Netzwerk hinzugefügt, so beobachtet dieser einen Sendezyklus und detektiert dessen Ende, wenn innerhalb einer Pausenzeit Pl keine Nachrichten mehr empfangen wurden. Zur Anmeldung versendet dieser QoS-Switch die Ethernetadresse eines seiner Verbraucheranschlüsse. Da auch alle schon angemeldeten QoS-Switches die Pausenzeiten überwachen, empfangen alle QoS-Switches diese Adresse innerhalb der Pausenzeit P2. Dies führt dazu, dass jetzt alle anderen QoS- Switches ihre zu den Verbraucheranschlüssen korrespondierenden Ethernetadressen versenden. Diese Kommunikation kann nach den normalen Ethernetregeln (CSMA/CD) erfolgen, da im Falle der Netzwerkkonfiguration kein determinierbares Echtzeitverhalten des Netzwerkes erwartet wird. Wurden alle Ethernetadressen einmal ausgetauscht, wird für jeden Verbraucheranschluss eine ggf. neue Sendeberechtigungsnummer ermittelt. Dies kann z. B. nach Ablauf der detektierten Pausenzeit Pl erfolgen. Nach Ablauf der Pausenzeit P2 startet dann der Verbraucheranschluss mit der niedrigsten Ethernetadresse den nächsten Sendezyklus. Sollte wiederum vor Ablauf der Pausenzeit P2 eine Nachricht empfangen werden, so müssen wieder alle Ethernetadressen ausgetauscht werden.If a new QoS switch 10 is now added to the network, it observes a transmission cycle and detects its end when no more messages have been received within a pause time Pl. To register, this QoS switch sends the Ethernet address of one of its consumer connections. Since all already registered QoS switches also monitor the pause times, all QoS switches receive this address within the pause time P2. As a result, all other QoS switches now send their Ethernet addresses corresponding to the consumer connections. This communication can take place according to the normal Ethernet rules (CSMA / CD), since no determinable real-time behavior of the network is expected in the case of the network configuration. If all Ethernet addresses have been exchanged once, a new transmission authorization number is determined for each consumer connection. This can e.g. B. after the detected pause time Pl. To When the pause time P2 expires, the consumer connection with the lowest Ethernet address starts the next transmission cycle. If a message is received again before the pause time P2 expires, then all Ethernet addresses must be exchanged again.
In Fig. 8 ist auch ein Anmeldezyklus dargestellt, indem sich noch kein Teilnehmer im Netzwerk angemeldet hat. Dieser Zustand kann z. B. nach „Power on" eintreten. Der Einfachheit halber wird im folgenden unterstellt, dass sich nur QoS-Switches mit jeweils einem Verbraucheranschluss anmelden. Der erste Teilnehmer am Netz wird keinen Sendezyklus detektieren können. Nach einer Pausenzeit P3, die größer als P1+P2 ist, versendet der Teilnehmer seine Ethernetadresse. Sollte er keine Nachrichten innerhalb der Pausenzeit P3 empfangen, versendet er erneut seine Adresse usw. Wird nun ein zweiter QoS-Switch zugeschaltet, wird dieser eine Nachricht vom zuerst eingeschalteten QoS-Switch erhalten. Nach einer Pausenzeit Pl startet der zweite zugeschaltete QoS-Switch mit dem Senden seiner Ethernetadresse. Dies wiederum löst erneut das oben beschriebene Prozedere aus.8 also shows a registration cycle in which no subscriber has yet registered in the network. This condition can e.g. For example, for the sake of simplicity, it is assumed below that only QoS switches with one consumer connection each register. The first participant in the network will not be able to detect a transmission cycle. After a pause P3 that is greater than P1 + If the participant does not receive any messages within the pause time P3, he sends his address again etc. If a second QoS switch is now connected, this will receive a message from the QoS switch that was switched on first Pl starts the second connected QoS switch with the sending of its Ethernet address, which in turn triggers the procedure described above.
In Fig. 8 wird auch gezeigt, wie sich weitere QoS-Switches bei unterschiedlichen Einschaltzeiten in das Netzwerk integrieren. Mit diesem Anmeldeverfahren ist es möglich, dass sich Netzwerkabschnitte nach Ausfall ein oder mehrerer Teilnehmer selbständig neu konfigurieren können. Die Sendereihenfolge kann sich dabei unter Umständen ändern. In jedem Fall werden aber immer vollständige Nachrichtenzyklen aufgebaut, die eine strenge zeitliche Der.erminierbar.keit garantieren.8 also shows how further QoS switches integrate into the network at different switch-on times. With this registration procedure it is possible that network sections can independently reconfigure themselves after one or more participants fail. The sending order may change under certain circumstances. In any case, however, complete message cycles are always built up, which guarantee strict scheduling.
Das Verfahren kann alternativ dahingehend verändert werden, dass jedem QoS-Switch nur eine Ethernetadresse zugeordnet wird. In diesem Fall müssen alle Verbraucheranschlüsse mit einer Ethernetadresse auskommen. Beim Anmeldevorgang senden dann alle Verbraucheranschlüsse pro QoS-Switch die gleiche Ethernetadresse. Die Sendeposition der Verbraucheranschlüsse innerhalb eines QoS-Switch kann in diesem Fall im QoS-Switch durch dessen Software oder Hardwarelogik vorgegeben werden. Alle anderen QoS-Switches bzw. deren Verbraucheranschlüsse behandeln die gleichen empfangenen Ethernetadressen wie im oben beschriebenen Verfahren. Die Ermittlung der eigenen Sendeposition wird dadurch nicht beeinflusst, solange jeder Verbraucheranschluss eine Ethernetadresse sendet und damit einen Sendeslot anmeldet.The method can alternatively be changed such that only one Ethernet address is assigned to each QoS switch. In this case, all consumer connections must get by with an Ethernet address. During the registration process, all consumer connections per QoS switch then send the same Ethernet address. In this case, the send position of the consumer connections within a QoS switch can be changed in the QoS switch Software or hardware logic can be specified. All other QoS switches or their consumer connections treat the same received Ethernet addresses as in the procedure described above. The determination of your own send position is not affected as long as each consumer connection sends an Ethernet address and thus registers a send slot.
Allen Verbraucheranschlüssen bzw. Anschlussgeräte-Anschlüssen 12 eines QoS-Switches 10 ist ein ausreichender gemeinsamer Empfangsspeicherbereich zugeordnet. Z. B. 8 mal 1526 Byte (1526 Byte = max. Ethernetframe) für 8 hintereinander einlaufende Nachrichten vom Verbraucher und zusätzlich 1526 Byte für eine Nachricht aus dem Netzwerk zur Zwischenspeicherung, falls diese nicht direkt an den Verbraucher weitergeleitet werden kann. Grund hierfür kann z. B. sein, dass der Verbraucher selbst eine Nachricht absetzen möchte und im Halb Duplex Betrieb die Leitung zum QoS-Switch belegt hat. Pro Verbraucheranschluss wird demnach ein Speicher von 9 x 1526 Byte = 13734 Byte reserviert. Mit einem handelsüblichen Speicherbaustein von 64k x 16 Bit = 128 Kbyte wird ein ausreichender Pufferspeicher für 8 Verbraucheranschlüsse pro QoS-Switch zur Verfügung gestellt.A sufficient common receive memory area is assigned to all consumer connections or connection device connections 12 of a QoS switch 10. E.g. 8 times 1526 bytes (1526 bytes = max. Ethernet frame) for 8 consecutive messages from the consumer and an additional 1526 bytes for a message from the network for temporary storage, if this cannot be forwarded directly to the consumer. The reason for this can e.g. B. be that the consumer wants to send a message and has occupied the line to the QoS switch in half duplex mode. A memory of 9 x 1526 bytes = 13734 bytes is reserved for each consumer connection. With a commercially available memory module of 64k x 16 bit = 128 Kbyte, a sufficient buffer memory for 8 consumer connections per QoS switch is provided.
Der in Fig. 9 als Beispiel gezeigte QoS-Switch besteht aus zwei Netzwerkanschlüssen 40,42, mit der die Verbindung zu weiteren QoS-Switches 10 oder handelsüblichen Hubs 16 (Fig. 1) hergestellt werden kann und einem Verbraucheranschluss 44 an dem ein Verbraucher angeschlossen werden kann. Der QoS-Switch besteht aus den MACs ( Media Acces Control) und den Physicals zur Erzeugung der Signale, einem externen Speicher 46 zur Zwischenspeicherung von Nachrichten, einem Mikrocontroller 48 zum Management des QoS-Switch und einer Steuerungslogik 50, die als Einchiplösung ausgeführt ist.The QoS switch shown as an example in FIG. 9 consists of two network connections 40, 42 with which the connection to further QoS switches 10 or commercially available hubs 16 (FIG. 1) can be established and a consumer connection 44 to which a consumer is connected can be. The QoS switch consists of the MACs (Media Access Control) and the physicals for generating the signals, an external memory 46 for intermediate storage of messages, a microcontroller 48 for managing the QoS switch and a control logic 50 which is designed as a single-chip solution.
Im Chip sind integriert: Repeater 52 zur Weiterleitung und Aufbereitung der Ethernetprotokolle, Input und Output Buffer 54,56, die als Sende- bzw. Empfangsbuffer dienen und dem Logikteil 50, der die Steuerung der Senderechte und der Nachrichtenpriorisierung im QoS-Switch 10 durchführt. Im Chip sind ebenfalls alle notwendigen Funktionen und Treiber zum Anschluss eines externen Speichers 46 und Mikroprozessor 48 untergebracht.The following are integrated in the chip: Repeater 52 for forwarding and processing the Ethernet protocols, input and output buffers 54, 56, which serve as send and receive buffers and the logic part 50, which controls the transmission rights and message prioritization in the QoS switch 10. All necessary functions and drivers for connecting an external memory 46 and microprocessor 48 are also accommodated in the chip.
Vom Netzwerk einlaufende Telegramme werden auf ihre Zieladresse (oder Adressraum) hin überprüft und ggf. direkt oder im Falle, dass die Leitung zum Verbraucher hin belegt ist, indirekt über eine Zwischenspeicherung, an den Verbraucher weitergeleitet. Zur Auswertung der Zieladresse wird zumindest ein Teil des Telegramms im Backbone Input Buffer zwischengespeichert. Parallel wird das einlaufende Telegramm über den Repeater, der das Signal nur aufbereitet, an den jeweils anderen Netzwerkanschluss mit nur geringem Zeitversatz, der nur durch. Laufzeiten der Bauelemente bestimmt ist, wieder ausgegeben. Dies ist wichtig, damit Zeitsynchronisierungen mit hoher Genauigkeit im Netzwerk durchgeführt werden können.Telegrams arriving from the network are checked for their destination address (or address space) and, if necessary, are forwarded to the consumer directly or, if the line to the consumer is busy, indirectly via intermediate storage. To evaluate the destination address, at least part of the telegram is buffered in the backbone input buffer. In parallel, the incoming telegram is sent via the repeater, which only processes the signal, to the other network connection with only a slight time delay, which is only through. Term of the components is determined, issued again. This is important so that time synchronization can be carried out with high accuracy in the network.
Vom Verbraucher einlaufende Telegramme werden im Device Input Buffer auf ihre Priorität im IP-Bereich des Protokolls untersucht und entsprechend im externen Speicher solange abgelegt, bis sie mit dem entsprechend zugehörigen nächsten freien Sendeslot über die Netzwerkanschlüsse ausgegeben worden sind.Telegrams arriving from the consumer are examined in the device input buffer for their priority in the IP area of the protocol and stored accordingly in the external memory until they have been output via the network connections with the corresponding next free send slot.
Die Steuerlogik des QoS-Switch kann so ausgelegt werden, dass sie im Falle des drohenden Speicherüberlaufs niedriger priorisierte Nachrichten zugunsten höher priorisierte Nachrichten verwirft.The control logic of the QoS switch can be designed in such a way that, in the event of an impending memory overflow, it rejects lower-priority messages in favor of higher-priority messages.
Der Mikroprozessor dient zur Unterstützung der Berechnung der Sendeberechtigungsnummern und der Netzwerkdiagnose. Vorteilhaft ist auch die Implementierung eines http Servers, der die externe Kommunikation mit handelüblichen Softwaretools, wie z. B. Internetexplorern unterstützt. Je nach Anzahl der Verbraucheranschlüsse kann es vorteilhaft sein, den Speicher in den Chip zu integrieren.The microprocessor is used to support the calculation of the transmission authorization numbers and the network diagnosis. It is also advantageous to implement an http server that enables external communication with standard software tools, such as. B. Internet Explorer supported. Depending on the number of consumer connections, it may be advantageous to integrate the memory into the chip.
Im Falle, dass mehrere Verbraucheranschlüsse an einem QoS-Switch betrieben werden sollen, muss lediglich der Teil der Logik, der für die Steuerung eines Verbraucheranschlusses notwendig ist, und die entsprechenden Buffer mehrfach im Chip ausgeführt werden. In the event that several consumer connections are to be operated on one QoS switch, only the part of the logic that is necessary for controlling a consumer connection and the corresponding buffers need to be executed multiple times in the chip.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten (20), insbesondere auf Ethernet-Basis, wobei der zeitlich determinierbare Datentransport durch Schalteinrichtungen (10) über die Anschlussgeräte (20) miteinander verbunden sind, herbeigeführt wird.1. A method for the multidirectional exchange of data records between connection devices (20) connected to one another via a network, in particular based on Ethernet, wherein the time-determinable data transport by switching devices (10) via the connection devices (20) are connected to one another.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schalteinrichtungen (10) ohne topologische Einschränkungen miteinander verbunden sind und automatisch eine Sendereihenfolge der Schalteinrichtungen (10) festgelegt wird.2. The method according to claim 1, in which the switching devices (10) are connected to one another without topological restrictions and a transmission sequence of the switching devices (10) is automatically determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jedem zu versendenden Datensatz eine Priorität zugeordnet wird und Datensätze mit hoher Priorität häufiger versendet werden.3. The method according to claim 1 or 2, in which each record to be sent is assigned a priority and records with high priority are sent more often.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem Datensätze mit hoher Priorität in einem ersten Sendezyklus (22) in der festgelegten Sendereihenfolge versendet werden und Datensätze mit niedriger Priorität in einem oder mehreren weiteren Sendezyklen (24,26) versendet werden.4. The method according to claim 3, in which data records with high priority are sent in a first transmission cycle (22) in the specified transmission order and data records with low priority are sent in one or more further transmission cycles (24, 26).
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem in dem ersten Sendezyklus (22) nur Datensätze der ersten Priorität versendet werden.5. The method according to claim 4, in which only data records of the first priority are sent in the first transmission cycle (22).
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem in dem ersten Sendezyklus (22) die Datensätze aller Anschlussgeräte (20) versendet werden. 6. The method according to claim 4 or 5, in which in the first transmission cycle (22) the data records of all connection devices (20) are sent.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei welchem in den weiteren Sendezyklen (24,26) jeweils Datensätze eines Teils der Anschlussgeräte (20) versendet werden.7. The method according to any one of claims 1-6, in which data records of part of the connecting devices (20) are sent in the further transmission cycles (24, 26).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei welchem in einem zweiten Sendezyklus (24) nur Datensätze der zweiten Priorität versendet werden.8. The method according to any one of claims 1-7, in which only data records of the second priority are sent in a second transmission cycle (24).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei welchem in einem zweiten Sendezyklus (24) Datensätze von etwa der Hälfte der Anschlussgeräte (20) versendet werden.9. The method according to any one of claims 1-8, in which in a second transmission cycle (24) data records from about half of the connecting devices (20) are sent.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem in einem dritten Sendezyklus (26) nur Datensätze der dritten und/oder einer höheren Priorität versendet werden.10. The method according to any one of claims 1-9, in which only data records of the third and / or a higher priority are sent in a third transmission cycle (26).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei welchem in einem dritten Sendezyklus (26) Datensätze von etwa einem Viertel der Anschlussgeräte (20) versendet werden.11. The method according to any one of claims 1-10, in which in a third transmission cycle (26) data records from about a quarter of the connection devices (20) are sent.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei welchem der erste Sendezyklus (22) nach jedem weiteren Sendezyklus (24,26) durchgeführt wird.12. The method according to any one of claims 1-11, in which the first transmission cycle (22) is carried out after each further transmission cycle (24, 26).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei welchem die Sendezyklen (22,24,26) stets der Reihe nach durchgefühlt werden.13. The method according to any one of claims 1-11, wherein the transmission cycles (22,24,26) are always performed in order.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-13, bei welchem in dem zweiten Sendezyklus (24) abwechselnd Datensätze von der einen und der anderen Hälfte der Anschlussgeräte (20) versendet werden. 14. The method according to any one of claims 8-13, in which in the second transmission cycle (24) data sets are alternately sent from one and the other half of the connection devices (20).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, bei welchem in vier aufeinanderfolgenden dritten Sendezyklen (26) jeweils Datensätze eines anderen Viertels der Anschlussgeräte (20) versendet werden.15. The method according to any one of claims 10-14, in which data records of a different quarter of the connecting devices (20) are sent in four successive third transmission cycles (26).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, bei welchem Datensätze der einzelnen Prioritäten jeweils auf eine maximale Länge beschränkt sind.16. The method according to any one of claims 1-15, in which data records of the individual priorities are each limited to a maximum length.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem beim Überschreiten der maximalen Länge ein Datensatz automatisch in die nächst niedrigere Priorität eingestuft wird.17. The method according to claim 16, wherein when the maximum length is exceeded, a data record is automatically classified in the next lower priority.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17, bei welchem die Prioritäten der Datensätze nach IEEE 802.1 beschrieben sind.18. The method according to any one of claims 1-17, in which the priorities of the data records are described according to IEEE 802.1.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18, bei welchem das Festlegen der Sendereihenfolge durch die Vergabe von laufenden Sendeberechtigungsnummern für die Anschlüsse (14) der Schalteinrichtungen (10) oder der Anschlussgeräte (20) erfolgt.19. The method according to any one of claims 1-18, wherein the determination of the transmission order is carried out by assigning current transmission authorization numbers for the connections (14) of the switching devices (10) or the connection devices (20).
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Vergabe der Sendeberechtigungsnummer jedes Anschlusses (14) bzw. Anschlussgerätes (20) auf Grundlage der Ethemet-Adresse des jeweiligen Anschlusses (14) bzw. Anschlussgerätes (20) erfolgt.20. The method according to claim 19, in which the assignment of the transmission authorization number of each connection (14) or connection device (20) takes place on the basis of the Ethemet address of the respective connection (14) or connection device (20).
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-19, bei welchem zur Festlegung der Sendereihenfolge von jeder Schalteinrichtung (10) jeweils eine Adresse, insbesondere eine Ethernet-Adresse, der Anschlüsse (14) der Schalteinrichtung (10) oder der mit ihr verbundenen Anschlussgeräte (20) an alle Schalteinrichtungen (10) versendet wird.21. The method according to any one of claims 1-19, in which to determine the transmission order of each switching device (10) each has an address, in particular an Ethernet address, of the connections (14) of the switching device (10) or the connection devices connected to it ( 20) is sent to all switching devices (10).
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem jede Schalteinrichtung (10) auf Grundlage der empfangenen Anschluss-Adressen bzw. Anschlussgeräte-Adressen und der mindestens einen eigenen Anschluss- Adresse bzw. Anschlussgeräte-Adresse die Sendeposition des bzw. der mit ihr verbundenen Schalteinrichtungen (10) bzw. der Anschlüsse der Schalteinrichtungen (10) ermittelt.22. The method according to claim 21, wherein each switching device (10) on the basis of the received connection addresses or Connection device addresses and the at least one own connection address or connection device address determine the send position of the switching device (s) connected to it or the connections of the switching devices (10).
23. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei welchem von jeder Schalteinrichtung (10) die Anzahl der von anderen Schalteinrichtungen (10) gesendeten Datensätze gezählt wird, um den eigenen Sendezeitpunkt zu ermitteln.23. The method according to claim 19 or 20, in which each switching device (10) counts the number of data records sent by other switching devices (10) in order to determine its own transmission time.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-22, bei welchem ein Dummy versendet wird, wenn kein Datensatz entsprechender Priorität zum Versenden vorhanden ist.24. The method according to any one of claims 1-22, in which a dummy is sent if there is no corresponding priority record for sending.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-24, bei welchem die Adressen in zwischen Sendezyklen vorgesehenen Sendepausen übermittelt werden.25. The method according to any one of claims 21-24, in which the addresses are transmitted in transmission pauses provided between transmission cycles.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-25, bei welchem die Adresse eines neu hinzugeschalteten Anschlussgeräts (20) nach Ablauf einer ersten Pausenzeit (Pl) übermittelt wird und anschließend alle Adressen zur Festlegung der neuen Sendereihenfolge übermittelt werden.26. The method according to any one of claims 21-25, in which the address of a newly connected connection device (20) is transmitted after a first pause time (Pl) and then all addresses for determining the new transmission sequence are transmitted.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-26, bei welchem die Schalteinrichtungen (10) einen Datensatz nur an einen Anschluss für ein Anschlussgerät (20) weiterleiten, der mit der Adresse des Anschlussgerätes (20) übereinstimmt.27. The method according to any one of claims 1-26, wherein the switching devices (10) forward a data record only to a connection for a connection device (20) that matches the address of the connection device (20).
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-27, bei welchem nur Schalteinrichtungen (10) mit angeschlossenem Anschlussgerät (20) eine oder mehrere Adressen zur Festlegung der Sendereihenfolge versenden. 28. The method according to any one of claims 21-27, in which only switching devices (10) with a connected connecting device (20) send one or more addresses for determining the transmission sequence.
29. Netzwerk, insbesondere auf Ethernet-Basis, mit mehreren über Netzwerkkabel miteinander verbundenen Schalteinrichtungen (10), die jeweils mit mindestens einem Anschlussgerät (20) verbindbar sind, wobei die Schalteinrichtungen (10) derart aufgebaut sind, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-28 geeignet sind.29. Network, in particular based on Ethernet, with a plurality of switching devices (10) connected to one another via network cables, each of which can be connected to at least one connection device (20), the switching devices (10) being constructed such that they are used to carry out the method one of claims 1-28 are suitable.
30. Schalteinrichtung für Netzwerke, insbesondere auf Ethernet-Basis, mit30. Switching device for networks, in particular based on Ethernet, with
mindestens einem Anschluss für ein Anschlussgerät (20),at least one connection for a connection device (20),
mindestens einem Netzwerkanschluss (40,42),at least one network connection (40, 42),
einem Zwischenpuffer zum Zwischenspeichern von an das mindestens eine Anschlussgerät (20) zu sendende bzw. von dem mindestens einen Anschlussgerät (20) zu empfangende Datensatz undan intermediate buffer for temporarily storing data record to be sent to the at least one connection device (20) or received from the at least one connection device (20)
einem Logik-Baustein, der zur Kommunikation mit Logik-Bausteinen weiterer im Netzwerk angeordneter Schalteinrichtungen (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-28 geeignet ist. a logic module which is suitable for communication with logic modules of further switching devices (10) arranged in the network for carrying out the method according to one of claims 1-28.
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