WO2011088956A1 - Erhöhung der echtzeitfähigkeit von ethernetnetzwerken - Google Patents

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WO2011088956A1
WO2011088956A1 PCT/EP2010/070839 EP2010070839W WO2011088956A1 WO 2011088956 A1 WO2011088956 A1 WO 2011088956A1 EP 2010070839 W EP2010070839 W EP 2010070839W WO 2011088956 A1 WO2011088956 A1 WO 2011088956A1
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networks
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Harald Karl
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
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    • H04L12/4641—Virtual LANs, VLANs, e.g. virtual private networks [VPN]
    • H04L12/4645—Details on frame tagging
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
    • H04L69/30—Definitions, standards or architectural aspects of layered protocol stacks
    • H04L69/32—Architecture of open systems interconnection [OSI] 7-layer type protocol stacks, e.g. the interfaces between the data link level and the physical level
    • H04L69/322—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions
    • H04L69/324—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions in the data link layer [OSI layer 2], e.g. HDLC

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting at least one Ethernet packet between a transmitter and a receiver, a device for carrying out a method according to the invention, and a network device having such a device.
  • Such a method or such devices are used in particular in the field of industrial communication, for example in production plants, in which increasingly ethernet-based communication protocols are used.
  • the change from previous field buses (eg, Profibus, Germany terbus) on Ethernet as a field bus is complicated by the fact that a standard-compliant Ethernet IEEE802.3 by many FAEL ⁇ len does not achieve the requirements for deterministic and real-time capability.
  • the reason for the poor deterministic behavior of Ethernet according to IEEE802.3 is the strongly fluctuating packet size between 64 bytes and 1522 bytes (with VLAN tag, each without preamble and SFD, "Start Frame Delimiter"), the main problem is the maximum packet size of 1500 bytes with respect to the real-time capability.
  • the transmission process initiated for a package it can not be interrupted.
  • the long Ethernet packets therefore like to block a transmission channel for a relatively long time and deferrers ⁇ thereby also high-priority packets. so is an Ethernet packet transmission medium at a transfer rate of 100 Mbit / s for 125 ys. Shortly thereafter ready to send Pa ⁇ kete, even with a higher priority will therefore be delayed until the old package has been completely sent.
  • the necessary devices are far from as powerful and flexible as standard components according to IEEE802.3; In addition, these components are more expensive, and it usually requires in addition a special network configuration and network configuration. These disadvantages hinder the spread of Ethernet in applications with high demands on determinism and real-time capability.
  • the deterministic reach the real-time capable protocols today by a highly accurate time synchronization of all participants. Either a time division multiplex is implemented by the time synchronization (PROFINET IRT, time phases for the real time protocols and for the other protocols) or time stamps are built into the protocols (Ethernet IP, EtherCAT).
  • the Ethernet protocol itself remains unchanged.
  • the invention has for its object to achieve a high degree of real-time capability and deterministic using IEEE802.3-compliant network components.
  • Ethernet networks are marked as being assignable to the respective Ethernet packet
  • each Ethernet network is identified by an EtherType parameter as the Ethernet network
  • Ethernet packet at the receiver is assembled from the number of Ethernet networks by means of an Ethernet network unit.
  • Ethernet cell unit and a network device having the features specified in claim 6 or claim 7.
  • Ethernet networks By segmenting the Ethernet packets in Ethernet networks ⁇ of course, with a length significantly smaller than the maximum packet size - the real cause of the problem, the long Ethernet packets, eliminated.
  • These short Ethernet networks can now be processed by a standard IEEE802.3 compliant network; Due to the now small packet length, high-priority real-time packets are delayed much shorter. In addition, the process requires no special management Netztechnikma-, but only a slight modification of end devices ⁇ unlike today's ether net-based real-time protocols. Decisive for the process of segmentation and of joining is a unique identifier for the communications ⁇ relationship between the transmitter and the receiver, which in
  • Ethernet is already provided by the source and destination MAC address.
  • at least two priority classes must be provided, one for low-priority telegrams and one for high-priority telegrams.
  • the priority bits in the VLAN tag are used (IEEE802, IQ). Since the simultaneous sending a NIE DER and high-priority message frame is to be possible, there are realized per priority class two Kochunikationsbe ⁇ relationships between transmitter and receiver.
  • the Ethernet cell contains information about the location of the cell in the packet - eg first, last or in between; however, there are also other segmentation methods - so that the Ethernet network unit at the receiver knows when the transmission of the packet is complete.
  • information about the number of bytes in the data area is present, which are occupied by useful data because it does not fully be ⁇ sets (in the last cell) needs to be and the remaining bytes, for example, are filled with "0".
  • the method of segmenting and assembling is so constructed in a way that the forwarding of the packets (or cells) over is possible in normal IEEE802.3-compliant network so that the network used for commercial IEEE802.3-compliant network ⁇ plant components can be.
  • Current real-time implementations of Ethernet are mostly limited to a bandwidth of 100 Mbit, but the Ethernet standard now also offers low-cost bandwidths of 1 Gbit or 10 Gbit.
  • the now possible use of network components with high bandwidth of 1 Gbit or even 10 Gbit enables real-time capability, wel ⁇ che is better than that of today's special implementations.
  • the method is designed so that no special real ⁇ time configuration of the network is necessary.
  • the network shows as an IEEE802.3-compliant standard Ethernet network.
  • IEEE802.3-compliant structures of the network all other mechanisms and protocols of standard Ethernet, for example, redundancy and power ⁇ factory management, usable.
  • Users can real-time communication zen also applicative nut ⁇ without explicit real-time protocol. He just has to make sure that his real-time telegrams are sent with a high priority. This allows him to avoid the restrictions of the common real-time protocols with regard to the connection possibilities (eg master / slave with PROFINET).
  • the connection possibilities eg master / slave with PROFINET
  • FCS of the Ethernet packet entered in the data areas of the Ethernet networks In this way the Ethernetzellen- unit on the receiver again the original package rekonstruie ⁇ ren - including "Frame Check Sequence" with the 4-byte CRC, "Cyclic Redundancy Check”. Transmission errors and segmentation / assembly errors are revealed by the modified CRC of the original package, and the standard Ethernet mechanisms are used. (Of course, the individual Ethernet networks also have an FCS or CRC - in compliance with the standard).)
  • the identifier for the assignment to the respective Ethernet packet as well as the number of bytes occupied with user data are represented by different EtherType parameters. In this way, the information can be provided without the need for storage space in the already small data area.
  • the identifier for the assignment to the respective Ethernet packet as well as the number of bytes occupied with user data are represented by different EtherType parameters. In this way, the information can be provided without the need for storage space in the already small data area.
  • Identification as for the assignment to the respective Ethernet packet as well as the number of bytes occupied by user data in a variable in the data area of the respective Ethernet network saved.
  • a parameter can, for example, be referred to as segmentation / reassembly status (SRS) and is stored, for example, in the first byte of the data area of the ether networks.
  • SRS segmentation / reassembly status
  • the Ethernet packets are segmented in Ethernet networks with a minimum allowable length.
  • the inventive ether ⁇ network unit between PHY layer and MAC layer angeord ⁇ net.
  • the process of segmenting into short Ethernet networks and merging the original Ethernet packet passes logically between the PHY and MAC layers.
  • the MAC layer provides a send data stream for each priority class in the send direction. With at least two priority classes, a high-priority data packet can overtake a lower-priority data packet already in transmission. In the receive direction, the Ethernet cell unit receives the
  • Ethernet networks and remembers the already received components of the data packet (the segmented Ethernet packet) in the memory unit ("Connection RAM”) . If a data packet is completely received (ie all Ethernet networks of the original Ethernet packet), it is forwarded to the MAC layer ⁇ directs.
  • the invention will be described in more detail with reference to the embodiment shown in the figure and erläu ⁇ tert.
  • the figure shows: a schematic representation of an Ethernet network
  • the figure shows the integration of an Ethernet network unit 1 in the data flow of a normal Ethernet interface of a network device. It is important that the Ethernet network unit 1 is only necessary at the subscriber connections of the network, the network with the switches is still fully compliant with the IEEE802.3.
  • the MAC layer 6 provides a send data stream for each priority class. With at least two priority classes-as in the illustration-a high-priority data packet can overtake a lower-priority data packet already in transmission; are not implemented priority classes, so always just sent Da ⁇ tendigit must be sent completed.
  • Ethernet network unit 1 now divides the long Ethernet packets into the short Ethernet networks and in each case transmits the highest priority Ethernet network.
  • the receiver unit 3 receives the
  • Ethernetzellen unit 1 the Ethernet networks and remembers the already received components of the data packet in the memory unit 4 ("Connection RAM") .If a data packet is completely received, it is forwarded to the MAC layer 6. If the network is a "normal "(long, non-segmented) Ethernet packet, it is routed directly further ⁇ . Although standard Ethernet packets affect the real-time capability of the network ⁇ negative, but can still be processed with Ethernet cell units 1 through the network. Due to the now significantly shorter packets in the network of, for example, the minimum size for Ethernet frames of 64 bytes (without preamble and SFD), there is now only a delay of approx. 6 ys / node, ie even with 100 subscribers in a line only 600 ys. Apart from the Ethernet network units 1 at the subscriber connections, the complete remaining network infrastructure is IEEE802.3-compliant. Now the priority control in the VLAN tag is also effective, since the priority decision can be made after every short packet.
  • the Ethernet network itself is a fully IEEE802.3 compliant package with a fixed EtherType that identifies it as an Ethernet network.
  • the payload contains the segmentation / reassembly status (SRS) and part of the segmented payload.
  • SRS segmentation / reassembly status
  • the segmentation and reassembly process is governed by a unique identifier for the communication relationship between the sender and the receiver, which is already provided by the source and destination MAC addresses in Ethernet.
  • at least two priority classes must be provided, one for low and one for high-priority telegrams.
  • the priority bits in the VLAN tag are used (IEEE802, IQ). Since the simultaneous transmission of a low-priority and high-priority telegram should be possible, two communication relationships between transmitter and receiver result per realized priority class.
  • Ethernettelegramme packets that do not have a VLAN tag, of course, segmented by the transmitting unit 2 of the Ethernet cell unit 1 in Ethernet networks without VLAN tag.
  • Ethernet networks (or packages) without a VLAN tag have the lowest priority in the network.
  • the VLAN tag is irrelevant to the segmentation ⁇ tion, it is needed only for the preference of ether nettelegrammen (packages in an) such as RT telegrams.
  • the following section explains how to divide an Ethernet data packet of 200 bytes onto 64-byte Ethernet networks.
  • the chosen segmentation and the structure of the SRS are only exem- plarisch.
  • the Ethernet packet with 200 bytes of user data also contains 6 bytes each for the MAC source and destination addresses, 4 bytes for the VLAN tag, 2 bytes for the EtherType parameter and an additional 4 bytes for the frame check sequence after the user data.
  • FCS, or the CRC so a total of 222 bytes.
  • the SRS now contains information about the location of the
  • Ethernet cell in the packet ( “first”, “body”, “load”) and the at ⁇ number of bytes transmitted in the data area. This is necessary because the data area can contain less than 41 bytes and then the remaining bytes with "Padding" is packaged in six Ethernet networks, the payload, the EtherType parameter, and the CRC of the original packet are packaged (206 bytes.) Since the data areas of five minimum-sized Ethernet networks can only hold 205 bytes, the last one transports therefore, Ethernet cell only 1 byte instead of 41 bytes as the previous cell.
  • Ethernet cells uniform County ⁇ ge with a fixed number for example 64
  • the cells could be between 64 and 80 bytes long, which still leaves a sufficiently small delay for high priority would result in Ethernet telegrams.
  • the entry of the to be segmented data of the Ethernetpake- tes takes place in the data areas of the Ethernet cells useful ⁇ full, in the order of "occurrence", ie in the 41 bytes large data region of the first Ethernet cell are the EtherType parameters (2 bytes) and another 39 bytes
  • the fifth Ethernet network optionally transports the remaining 38 Bytes of user data as well as 3 bytes of the FCS of the Ethernet packet - ie the minimum packet size is retained - or in addition to the user data the full 4 bytes of the FCS - the packet size is thus increased by 1 byte to 65 bytes.
  • a sixth cell is needed to carry the last byte of the FCS, with the remainder of the data area being padded with zeros.
  • the original 200-byte Ethernet packet requires a total of 222 bytes to send. It is divided by the segmentation in either five Ethernetzellen each with 64 bytes for the first four cells and 65 bytes for the fifth cell or in six cells, each with 64 bytes, a total ⁇ who now so 321 bytes or 384 bytes sent.
  • the higher by about 50% amount of data is due to the high for Availability checked ⁇ supply transmission capacity of 100 Mbit (or even up to 10 Gbit) no longer a problem.
  • the day based on time division multiple real-time Ethernet variants achieved by not completely possible exploitation of Time slots also not the theoretically possible transmission ⁇ capacity. Since current real-time implementations of Ethernet is mostly limited to a bandwidth of 100 Mbit, results from the now possible use of network components with a higher bandwidth Echtzeitfä ⁇ ability, which is often better than that of today's special implementations.
  • the invention relates to a method for transmitting at least one Ethernet packet between a
  • Transmitter and a receiver an apparatus for performing a method according to the invention and a network device with such a device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung. Um unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen, wird vorgeschlagen, das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete zu segmentieren und am Empfänger wieder zusammenzufügen. Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellen - natürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße - werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert als durch lange, unsegmentierte Ethernetpakete.

Description

Beschreibung
Erhöhung der Echtzeitfähigkeit von Ethernetnetzwerken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung .
Ein derartiges Verfahren bzw. derartige Vorrichtungen kommen insbesondere auf dem Gebiet der industriellen Kommunikation, z.B. in Fertigungsanlagen, zum Einsatz, bei der zunehmend ethernet-basierte Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Die Umstellung von bisherigen Feldbussen (z.B. Profibus, In- terbus) auf Ethernet als Feldbus wird aber dadurch erschwert, dass ein normkonformes Ethernet nach IEEE802.3 in vielen Fäl¬ len die Anforderungen an die Deterministik und Echtzeitfähigkeit nicht erreicht. Der Grund für das schlechte determinis- tische Verhalten von Ethernet nach IEEE802.3 ist die stark schwankende Paketgröße zwischen 64 Bytes und 1522 Bytes (mit VLAN-Tag, jeweils ohne Präambel und SFD, „Start Frame Delimi- ter") , wobei das Hauptproblem bezüglich der Echtzeitfähigkeit die maximale Paketgröße von ca. 1500 Bytes ist. Wurde der Sendevorgang für ein Paket angestoßen, so kann er nicht mehr unterbrochen werden. Die langen Ethernetpakete blockieren daher einen Übertragungskanal für relativ lange Zeit und verzö¬ gern dadurch auch hochpriore Pakete. So belegt ein Ethernet- paket das Übertragungsmedium bei einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s für ca. 125 ys . Kurz danach zum Senden bereite Pa¬ kete, auch mit einer höheren Priorität, werden daher solange verzögert, bis das alte Paket vollständig gesendet wurde.
Das Problem wird dadurch weiter verschärft, dass die Verzöge- rung nicht nur am Netzwerkteilnehmer (Netzwerkgerät, Endge¬ rät) , sondern auch an jedem Netzwerkknoten (z.B. Switch) auftritt. Gerade bei der installationsfreundlichen Linientopolo- gie ergeben sich dadurch hohe maximale Verzögerungszeiten, bei 100 Geräten in Reihe z.B. 12,5 ms. Die Übertragungsdauer für ein Paket kann dann zwischen 0 und 12,5 ms schwanken, für viele EchtZeitanwendungen zu viel. Bei Anwendungen, bei welchen die Deterministik und Echtzeitfähigkeit von IEEE802.3-basierten industriellen Netzwerkprotokollen (wie Ethernet-IP, PROFINET IRT) nicht ausreicht, wurden ethernet-basierte Netzwerkprotokolle definiert, welche nicht mehr kompatibel zu IEEE802.3 sind und damit auch für die Netzwerkkomponenten (Switches) spezielle Komponenten benötigen. Die dafür notwendigen Geräte sind bei weitem nicht so leistungsfähig und flexibel wie Standardkomponenten gemäß IEEE802.3; außerdem sind diese Komponenten teurer, und es wird meist zusätzlich eine spezielle Netzwerkkonfiguration und Netzwerkprojektierung benötigt. Diese Nachteile behindern die Verbreitung von Ethernet in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Deterministik und Echtzeitfähigkeit . Die Deterministik erreichen die echtzeitfähigen Protokolle heute durch eine hochgenaue Zeitsynchronisation aller Teilnehmer. Entwe- der wird durch die Zeitsynchronisation ein Zeitmultiplex realisiert (PROFINET IRT, Zeitphasen für die EchtZeitprotokolle und für die anderen Protokolle) oder es werden Zeitstempel in die Protokolle eingebaut (Ethernet-IP, Ethercat) . Das Ether- net-Protokoll an sich bleibt jedoch unverändert. Diese prop- rietären Varianten von Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...) , die sich damit behelfen, dass der zeitliche Zugang der Netzwerkteilnehmer auf das Übertragungs¬ medium geplant wird, benötigen also eine spezielle Hardware in den Netzwerkknoten und Netzwerkteilnehmern und verwenden ein Protokoll, welches inkompatibel zu IEEE802.3 ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das jeweilige Ethernetpaket am Sen- der in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete mittels einer Ethernetzellen-Einheit segmentiert wird,
- wobei die MAC-Adressen und ein ggf. vorhandener VLAN-Tag des Ethernetpaketes für die Ethernetzellen übernommen wer- den,
- wobei ein EtherType-Parameter und die Nutzdaten des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen der Reihe nach eingetragen werden,
- wobei sich die Anzahl von Ethernetzellen aus der Menge der Nutzdaten und der Größe der Datenbereiche ergibt,
- wobei die Ethernetzellen dem jeweiligen Ethernetpaket zu- ordenbar gekennzeichnet werden,
- wobei in jeder Ethernetzelle die Anzahl der in den jewei¬ ligen Datenbereichen mit Nutzdaten belegten Bytes vermerkt wird und
- wobei jede Ethernetzelle durch einen EtherType-Parameter als Ethernetzelle ausgewiesen wird,
und dass das Ethernetpaket am Empfänger aus der Anzahl von Ethernetzellen mittels einer Ethernetzellen-Einheit zusammen- gefügt wird.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine derartige Ethernet- zellen-Einheit sowie ein Netzwerkgerät mit den in Anspruch 6 bzw. Anspruch 7 angegebenen Merkmalen.
Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellen¬ natürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße - wird der eigentliche Grund des Problems, die langen Ethernetpakete, beseitigt. Diese kurzen Ethernetzellen können jetzt von einem normalen IEEE802.3-konformen Netzwerk verarbeitet werden; aufgrund der jetzt geringen Paketlänge werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert. Zudem benötigt das Verfahren im Gegensatz zu heutigen ether- net-basierten EchtZeitprotokollen kein spezielles Netzwerkma- nagement, sondern nur eine geringfügige Modifikation der End¬ geräte . Maßgeblich für den Prozess der Segmentierung und des Zusammenfügens ist eine eindeutige Kennung für die Kommunikations¬ beziehung zwischen dem Sender und dem Empfänger, die in
Ethernet schon durch die Source- und Destination-MAC-Adresse bereitgestellt wird. Um ein Echtzeitverhalten zu erreichen, müssen mindestens zwei Prioritätsklassen bereitgestellt wer¬ den, eine für nieder- und eine für hochpriore Telegramme. Für die Prioritätsklassen werden die Prioritätsbits im VLAN-Tag benutzt ( IEEE802. IQ) . Da das gleichzeitige Senden eines nie- der- und hochprioren Telegramms möglich sein soll, ergeben sich pro realisierter Prioritätsklasse zwei Kommunikationsbe¬ ziehungen zwischen Sender und Empfänger.
Die Ethernetzelle enthält Informationen über die Lage der Zelle im Paket - z.B. erste, letzte oder dazwischen; es gibt aber auch andere Segmentierungsverfahren - so dass die Ethernetzellen-Einheit am Empfänger weiß, wann die Übertragung des Paketes vollständig ist. Zudem ist eine Information über die Anzahl der Bytes im Datenbereich vorhanden, die mit Nutzdaten belegt sind, da dieser (bei der letzten Zelle) nicht voll be¬ legt sein muss und die übrigen Bytes z.B. mit „0" aufgefüllt werden .
Das Verfahren zum Segmentieren und Zusammenfügen ist so kon- struiert, dass die Weiterleitung der Pakete (bzw. der Zellen) über in normales IEEE802.3-konformes Netzwerk möglich ist, so dass für das Netzwerk handelsübliche IEEE802.3-konforme Netz¬ werkkomponenten verwendet werden können. Dies bedeutet für den Anwender deutlich niedrigere Kosten und eine deutlich hö- here mögliche Bandbreite. Aktuelle EchtZeitimplementierungen von Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...) sind zumeist auf eine Bandbreite von 100 Mbit beschränkt, der Ethernetstandard bietet inzwischen aber auch kostengünstig Bandbreiten von 1 Gbit oder 10 Gbit an. Die jetzt mögliche Verwendung von Netzwerkkomponenten mit hoher Bandbreite von 1 Gbit oder gar 10 Gbit ermöglicht eine Echtzeitfähigkeit, wel¬ che besser als die der heutigen speziellen Implementierungen ist . Das Verfahren ist so konstruiert, dass keine spezielle Echt¬ zeitkonfiguration des Netzwerkes notwendig ist. Für den An¬ wender zeigt sich das Netzwerk als ein IEEE802.3-konformes Standard-Ethernetnetzwerk . Durch diesen IEEE802.3-konformen Aufbau des Netzwerkes sind auch alle anderen Mechanismen und Protokolle von Standard-Ethernet , z.B. Redundanz und Netz¬ werkmanagement, nutzbar. Der Anwender kann Echtzeitkommunika- tion auch applikativ ohne explizites Echtzeitprotokoll nut¬ zen. Er muss nur dafür sorgen, dass seine Echtzeittelegramme mit einer hohen Priorität versendet werden. Dadurch kann er die Beschränkungen der gängigen EchtZeitprotokolle in Hinblick auf die Verbindungsmöglichkeiten (z.B. Master / Slave bei PROFINET) umgehen. In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung wird auch die
FCS des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzel- len eingetragen. Auf diese Weise kann die Ethernetzellen- Einheit am Empfänger wieder das originale Paket rekonstruie¬ ren - inklusive „Frame Check Sequence" mit der 4 Byte langen CRC, „Cyclic Redundancy Check". Übertragungsfehler und Seg- mentierungs-/Zusammenfügungsfehler werden durch die veränderte CRC des Originalpaketes offenbart, und es greifen die Ethernet-Standardmechanismen . (Die einzelnen Ethernetzellen weisen natürlich - standard-konform - ebenfalls eine FCS bzw. CRC auf.)
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Kennzeichnung für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes durch ver- schiedene EtherType-Parameter dargestellt. Auf diese Weise können die Informationen bereitgestellt werden, ohne dass hierfür Speicherplatz im ohnehin kleinen Datenbereich benötigt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die
Kennzeichnung als für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes in einer Variablen im Datenbereich der jeweiligen Ethernetzelle gespeichert. Bei dieser alternativen Ausgestaltung wird zwar 1 Byte des Datenbereichs mit der Variablen belegt, dafür ge¬ nügt ein EtherType-Parameter zur Kennzeichnung des Ethernet- paketes als Ethernetzelle . Der Parameter kann z.B. als Seg- mentation/Reassembly-Status (SRS) bezeichnet werden und wird beispielsweise im ersten Byte des Datenbereiches der Ether- netzellen abgelegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Ethernetpakete in Ethernetzellen mit minimal erlaubter Länge segmentiert. Durch diese Verkürzung auf 64 Bytes (ohne Präam¬ bel und SFD) ergibt sich jetzt nur noch eine Verzögerung von ca. 6 ys bei einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s (im Ver¬ gleich zu 125 ys bei einem maximalen Ethernetpaket ) . Selbst bei 100 Teilnehmern in einer Linie ergeben sich so nur noch
0,6 ms (statt 12,5 ms) . Bei höheren Übertragungsraten verringern sich diese Verzögerungszeiten natürlich noch einmal deutlich . In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist bei einem erfindungsgemäßen Netzwerkgerät die erfindungsgemäße Ether¬ netzellen-Einheit zwischen PHY-Layer und MAC-Layer angeord¬ net. Der Vorgang der Segmentierung in kurze Ethernetzellen und des Zusammenfügens des ursprünglichen Ethernetpakets pas- siert logisch zwischen dem PHY- und dem MAC-Layer. Der MAC- Layer stellt in Senderichtung für jede Prioritätsklasse einen Sendedatenstrom zur Verfügung. Bei mindestens zwei Prioritätsklassen kann ein hochpriores Datenpaket ein bereits im Senden befindliches niederpriores Datenpaket überholen. In Empfangsrichtung empfängt die Ethernetzellen-Einheit die
Ethernetzellen und merkt sich die schon empfangenen Bestandteile des Datenpaketes (des segmentierten Ethernetpaketes ) in der Speichereinheit („Connection RAM"). Ist ein Datenpaket vollständig empfangen (d.h. alle Ethernetzellen des origina- len Ethernetpaketes) , so wird es an den MAC-Layer weiterge¬ leitet . Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu¬ tert. Die Figur zeigt: eine schematische Darstellung einer Ethernetzellen-
Einheit in einer Netzwerkschnittstelle.
Die Figur zeigt die Integration einer Ethernetzellen-Einheit 1 in den Datenfluss einer normalen Ethernet-Schnittstelle ei- nes Netzwerkgerätes. Wichtig ist, dass die Ethernetzellen- Einheit 1 nur an den Teilnehmeranschaltungen des Netzwerks notwendig ist, das Netzwerk mit den Switches ist weiterhin vollkommen konform zur IEEE802.3. In Senderichtung stellt der MAC-Layer 6 für jede Prioritätsklasse einen Sendedatenstrom zur Verfügung. Bei mindestens zwei Prioritätsklassen - wie in der Darstellung - kann ein hochpriores Datenpaket ein bereits im Senden befindliches niederpriores Datenpaket überholen; werden keine Prioritäts- klassen implementiert, so muss immer das gerade gesendete Da¬ tenpaket fertig gesendet werden. Die Sendeeinheit 2 der
Ethernetzellen-Einheit 1 zerteilt jetzt die langen Ethernet- pakete in die kurzen Ethernetzellen und sendet jeweils die Ethernetzelle mit der höchsten Priorität.
In Empfangsrichtung empfängt die Empfängereinheit 3 der
Ethernetzellen-Einheit 1 die Ethernetzellen und merkt sich die schon empfangenen Bestandteile des Datenpakets in der Speichereinheit 4 („Connection RAM"). Ist ein Datenpaket vollständig empfangen, so wird es an den MAC-Layer 6 weitergeleitet. Befindet sich im Netzwerk ein „normales" (langes, nicht segmentiertes) Ethernetpaket , so wird es direkt weiter¬ geleitet. Normale Ethernetpakete beeinflussen zwar die Echt¬ zeitfähigkeit des Netzwerks negativ, können aber trotzdem durch das Netzwerk mit Ethernetzellen-Einheiten 1 verarbeitet werden . Aufgrund der jetzt deutlich kürzeren Pakete im Netzwerk von z.B. der Mindestgröße für Ethernetframes von 64 Bytes (ohne Präambel und SFD) ergibt sich jetzt nur noch eine Verzögerung von ca. 6 ys / Knoten, also selbst bei 100 Teilnehmern in ei- ner Linie nur 600 ys . Bis auf die Ethernetzellen-Einheiten 1 an den Teilnehmeranschaltungen ist die komplette restliche Netzwerkinfrastruktur IEEE802.3-konform. Jetzt ist auch die Prioritätssteuerung im VLAN-Tag wirksam, da die Prioritätsentscheidung nach jedem kurzen Paket getroffen werden kann.
Die Ethernetzelle für sich ist ein vollständig IEEE802.3- konformes Paket mit einem festgelegten EtherType, welcher es als Ethernetzelle kennzeichnet. Die Nutzdaten enthalten den Segmentation/Reassembly-Status (SRS) und einen Teil der seg- mentierten Nutzdaten. Der SRS kann alternativ auch durch verschiedene EtherTypes realisiert werden. Für den Segmentation- und Reassembly-Prozess maßgeblich ist eine eindeutige Kennung für die Kommunikationsbeziehung zwischen dem Sender und dem Empfänger, die in Ethernet schon durch die Source- und Desti- nation-MAC-Adressen bereitgestellt wird. Um ein Echtzeitverhalten zu erreichen, müssen mindestens zwei Prioritätsklassen bereitgestellt werden, eine für nieder- und eine für hochpri- ore Telegramme. Für die Prioritätsklassen werden die Prioritätsbits im VLAN-Tag benutzt ( IEEE802. IQ) . Da das gleichzei- tige Senden eines nieder- und hochprioren Telegramms möglich sein soll, ergeben sich pro realisierte Prioritätsklasse zwei Kommunikationsbeziehungen zwischen Sender und Empfänger.
Ethernettelegramme (-pakete) , die keinen VLAN-Tag aufweisen, werden von der Sendeeinheit 2 der Ethernetzellen-Einheit 1 natürlich auch in Ethernetzellen ohne VLAN-Tag segmentiert.
Ethernetzellen (bzw. -pakete) ohne VLAN-Tag haben im Netzwerk die niedrigste Priorität. Der VLAN-Tag ist für die Segmentie¬ rung unerheblich, er wird nur für die Bevorzugung von Ether- nettelegrammen (-paketen) wie z.B. RT-Telegrammen benötigt.
Nachfolgend wird die Aufteilung eines Ethernet-Datenpakets mit 200 Bytes auf Ethernetzellen mit 64 Bytes erläutert. Die gewählte Segmentierung und der Aufbau des SRS sind nur exem- plarisch. Das Ethernetpaket mit 200 Bytes Nutzdaten enthält zudem für die MAC-Quell- und Zieladressen je 6 Bytes, für den VLAN-Tag 4 Bytes, für den EtherType-Parameter 2 Bytes und nach den Nutzdaten weitere 4 Bytes für die Frame Check Se- quence, FCS, bzw. die CRC, also insgesamt 222 Bytes. Diese neben den Nutzdaten für die Übertragung notwendigen Bytes sind natürlich auch bei den Ethernetzellen vorhanden, so dass bei einer einheitlichen Länge von 64 Bytes noch 42 Bytes für die Datenbereiche übrig bleiben, von denen 1 Byte von dem SRS belegt wird.
Der SRS enthält jetzt die Information über die Lage der
Ethernetzelle im Paket („First", „Body", „Last") und die An¬ zahl der Bytes, welche im Datenbereich übertragen werden. Dies ist notwendig, da der Datenbereich auch weniger als 41 Bytes enthalten kann und dann die restlichen Bytes mit „0" aufgefüllt werden („Padding"). In sechs Ethernetzellen werden die Nutzdaten, der EtherType-Parameter und die CRC des Originalpaketes verpackt (206 Bytes) . Da die Datenbereiche von fünf Ethernetzellen minimaler Größe nur 205 Bytes aufnehmen können, transportiert die letzte Ethernetzelle daher nur 1 Byte anstatt 41 Bytes wie die vorangegangenen Zellen. Alternativ könnte auch die fünfte Ethernetzelle um ein Byte länger gemacht werden, da es für die erfindungsgemäße Lösung nicht notwendig ist, dass die Ethernetzellen eine einheitliche Län¬ ge mit einer Festanzahl von beispielsweise 64 Bytes haben. Die Zellen könnten z.B. zwischen 64 und 80 Bytes lang sein, womit sich immer noch eine hinreichend geringe Verzögerung für hochpriore Ethernettelegramme ergäbe.
Die Eintragung der zu segmentierenden Daten des Ethernetpake- tes in die Datenbereiche der Ethernetzellen erfolgt sinn¬ vollerweise in der Reihenfolge ihres „Auftretens", d.h. in den 41 Bytes großen Datenbereich der ersten Ethernetzelle werden der EtherType-Parameter (2 Bytes) und noch 39 Bytes
Nutzdaten des Ethernetpaketes eingetragen und in die folgenden drei Ethernetzellen je 41 Bytes Nutzdaten. Die fünfte Ethernetzelle transportiert wahlweise die verbleibenden 38 Bytes Nutzdaten sowie noch 3 Bytes der FCS des Ethernetpake- tes - die minimale Paketgröße wird also beibehalten - oder zusätzlich zu den Nutzdaten die vollen 4 Bytes der FCS - die Paketgröße wird also um 1 Byte auf 65 Bytes vergrößert. Im ersten Fall benötigt man natürlich noch - wie oben schon beschrieben - eine sechste Zelle, die das letzte Byte der FCS transportiert, wobei der restliche Datenbereich mit Nullen aufgefüllt wird. Mit diesem Verfahren kann die Ethernetzel- len-Einheit 1 aus den fünf bzw. sechs Ethernetzellen wieder das originale Paket rekonstruieren. Übertragungsfehler und
Segmentierungs-/Reassemblyfehler werden durch die unveränderte CRC des Originalpakets offenbart und es greifen die Ether- net-Standardmechanismen .
Das originale Ethernetpaket mit den 200 Bytes benötigt zum Senden insgesamt 222 Bytes. Es wird durch die Segmentierung in entweder fünf Ethernetzellen mit jeweils 64 Bytes für die ersten vier Zellen und 65 Bytes für die fünfte Zelle oder in sechs Zellen mit jeweils 64 Bytes aufgeteilt, insgesamt wer¬ den jetzt also 321 Bytes bzw. 384 Bytes gesendet. Die um ca. 50 % höhere Datenmenge stellt aufgrund der hohen zur Verfü¬ gung stehenden Übertragungskapazität von 100 Mbit (oder gar bis zu 10 Gbit) heute kein Problem mehr dar. Die heute auf Zeitmultiplex basierenden echtzeitfähigen Ethernetvarianten erreichen durch die nicht vollständig mögliche Ausnutzung der Zeitschlitze auch nicht die theoretisch mögliche Übertra¬ gungskapazität. Da aktuelle EchtZeitimplementierungen von Ethernet zumeist auf eine Bandbreite von 100 Mbit beschränkt ist, ergibt sich durch die jetzt mögliche Verwendung von Netzwerkkomponenten mit höherer Bandbreite eine Echtzeitfä¬ higkeit, welche oft besser als die der heutigen speziellen Implementierungen ist.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem
Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung. Um unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen, wird vorge¬ schlagen, das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine An¬ zahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete zu segmentie- ren und am Empfänger wieder zusammenzufügen. Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellen - natürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße - werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert als durch lange, unsegmentierte Ethernetpakete.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete mittels einer Ether¬ netzellen-Einheit (1) segmentiert wird,
- wobei die MAC-Adressen und ein ggf. vorhandener VLAN-Tag des Ethernetpaketes für die Ethernetzellen übernommen werden,
- wobei ein EtherType-Parameter und die Nutzdaten des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen der Reihe nach eingetragen werden,
- wobei sich die Anzahl von Ethernetzellen aus der Menge der Nutzdaten und der Größe der Datenbereiche ergibt,
- wobei die Ethernetzellen dem jeweiligen Ethernetpaket zu- ordenbar gekennzeichnet werden,
- wobei in jeder Ethernetzelle die Anzahl der in den jewei- ligen Datenbereichen mit Nutzdaten belegten Bytes vermerkt wird und
- wobei jede Ethernetzelle durch einen EtherType-Parameter als Ethernetzelle ausgewiesen wird,
und dass das Ethernetpaket am Empfänger aus der Anzahl von Ethernetzellen mittels einer Ethernetzellen-Einheit (1) zu¬ sammengefügt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei auch die FCS des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen eingetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Kennzeichnung für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes durch verschiedene EtherType-Parameter dargestellt wer¬ den .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Kennzeichnung für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes in einer Variablen im Datenbereich der jeweiligen
Ethernetzelle gespeichert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ethernetpakete in Ethernetzellen mit minimal er¬ laubter Länge segmentiert werden.
6. Ethernetzellen-Einheit (1) mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest eine Sendeeinheit (2), mittels der Ethernetpakete in Ethernetzellen segmentierbar sind, eine Empfängereinheit (3) , mittels der Ethernetpakete aus Ethernetzellen zusammen¬ fügbar sind, und eine Speichereinheit (4) aufweisen.
7. Netzwerkgerät zum Senden und/oder Empfangen eines Ether- netpaketes, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine Ethernetzellen-Einheit (1) nach Anspruch 6.
8. Netzwerkgerät nach Anspruch 7,
wobei die Ethernetzellen-Einheit (1) zwischen PHY-Layer (5) und MAC-Layer (6) angeordnet ist.
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