WO2013064181A1 - Echtzeit-ethernet in virtuellen maschinen - Google Patents

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WO2013064181A1
WO2013064181A1 PCT/EP2011/069252 EP2011069252W WO2013064181A1 WO 2013064181 A1 WO2013064181 A1 WO 2013064181A1 EP 2011069252 W EP2011069252 W EP 2011069252W WO 2013064181 A1 WO2013064181 A1 WO 2013064181A1
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WO
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host system
real
time
physical network
virtual
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/069252
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Graf
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2011/069252 priority Critical patent/WO2013064181A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00—Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06—Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/46—Multiprogramming arrangements
    • G06F9/50—Allocation of resources, e.g. of the central processing unit [CPU]
    • G06F9/5061—Partitioning or combining of resources
    • G06F9/5077—Logical partitioning of resources; Management or configuration of virtualized resources

Definitions

  • the invention relates to a host system with a real-time processor device and a real-time capable physical network card according to the preamble of patent claim 1 and a method for operating a host system according to the preamble of claim 9.
  • PLC programmable logic controller
  • networks are more flexible and faster in data transmission.
  • high reliability of these systems in the context of programmable logic controllers can only be realized in the context of real-time systems.
  • a real-time system responds to all events in time and processes the data "keeping pace" with the technical ⁇ rule process.
  • the maximum term must be determined and must not, do not or only partially modifiable factors subject - it must be deterministic.
  • the execution of an operation within a certain time interval is called deterministic.
  • the systems considered in the present invention are real-time systems. Ie. insbeson ⁇ particular, that both all interacting hardware and software components react deterministic.
  • a common solution for accommodating multiple processes on a host system is to have a multi-core system with cores each having a virtual machine installed, each connected to a physical network card of the host system.
  • the individual network cards are coupled to network components or peripheral devices, which are in turn connected to the individual control systems.
  • the current solutions rarely allow more than four physical NICs to be used per host system. Due to the lack of slots, a host system is able to accommodate only four virtual machines, each of which can process one process in real time. As a result, the conventional host systems are severely limited. It is an object of the invention to provide a host system that is flexible and easily scalable. This object is solves ge ⁇ by means of a real-time host system comprising the features of claim 1 has so ⁇ such as a method of operating such a host system, comprising the features of claim 9.
  • Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • a real-time capable processor device and a real-time capable physical network card are provided in which two real-time capable virtual network cards are emulated on the processor device, the physical network card is formed such that a data packet is assigned to exactly one of the two virtual network cards.
  • host system only a powerful physical network ⁇ card (Ethernet card) is required. It can communicate with different peripheral devices via logically separate networks.
  • Modern network cards which also have a high data throughput, offer not only the actual network functionality but also a certain amount of processing power, so that filtering of incoming data packets is possible. This can be used so that the host system with its physical network card can appear under several different addresses in the network.
  • a destination address is evaluated, so that the receiver - here a virtual network card - can be uniquely determined.
  • Egg ne virtual machine or a configured with a virtual network interface card ⁇ virtual machine receives a network address assigned, which in turn is stored in the physi ⁇ 's network adapter of the host system.
  • pa ⁇ kete for that address on the physical network card filtered out and sent directly to the appropriate virtuel ⁇ le machine.
  • the host system itself does not have to provide any processing power since the assignment of the data packets takes place on the physical network card of the host system. Such a construction reduces the cabling effort and the risk of error in the "delivery" of the data packets.
  • the host system includes a processor device that includes multiple cores.
  • the computing power of the host system can be multiplied.
  • the sum of the predetermined bandwidths of the virtual network map is such that a maximum bandwidth of the physi-earth ⁇ network adapter of the host system is not exceeded. In this way it can be guaranteed that a vir ⁇ tual network card always gets a guaranteed bandwidth. Only in this way can a maximum data throughput of all virtual network cards of the virtual machines be guaranteed at all times.
  • the physical network card of the host system is set up to filter data packets.
  • the host system can be additionally relieved, since an assignment of the data packets takes place on the physical network card, without doing so the processing power of the host system, ie filtering, allocation and transmission are claimed.
  • the present invention proposes a method for operating a host system with a real-time processor device and a real-time physical network card in which two real-time virtual network cards are emulated on the processor device, the physical network card assigning exactly one data packet to one of the two virtual network cards , This can be exploited to the effect that the host system with its physical network card appears under several different addresses in the network.
  • the destination address is evaluated so that the recipient - the virtual network card or virtual machine - can be uniquely identified. An address translation by the host system can therefore be omitted.
  • an exchange of data packets takes place between the individual virtual network cards and the physical network card of the host system directly.
  • real-time data can be immediately reported to the virtual machine, so there is a before ⁇ ferred treatment compared to "normal" non-time-critical data packets can be initiated.
  • the exchange of data packets between the individual virtual network cards also takes place directly. In this way, in turn, the physical network card of the host system is relieved and speeds up the communication of each virtual machine with each other.
  • the single FIGURE shows a sketch of a representation of an embodiment of a host system according to the invention, as used in a control of PLC components.
  • a host system HS is used for receiving a plurality of processes Steuerungspro ⁇ a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • Each virtual machine VM1, VM2, VM3, ... runs an independent control process.
  • each virtuel ⁇ len machine VM1, VM2, VM3, ... a virtual network card VK1, VK2, VK3 assigned, ..., the pherietechnikn via a network peri- is associated.
  • the host system HS is equipped in this example with a powerful physical (Ethernet) network card PK. It serves as an interface between the peripherals KU, K12, K13, K21 ... K23 and the individual virtual network cards VK1, VK2, VK3.
  • This physical network card PK bie ⁇ tet a high data throughput and has, in addition to the actual network functionality and a certain level of proces ⁇ beitungs antique on, so that a filtering of incoming and outgoing data packets is possible.
  • a Gigabit network card is provided, which allows to handle a generated data flow from several network cards - here the virtual network cards VK1, VK2, VK3, ... -. Using this powerful physical At the same time, a number of virtual machines VM1, VM2, VM3,... can simultaneously use a bandwidth allocated to the virtual machine VM1, VM2, VM3,.
  • a physi ⁇ -earth gigabit network card PK can thus combine ten 100 Mbit connections.
  • VK1, VK2, VK3, ..., VK10 can be assigned to the virtual machines VM1, VM2, VM3,..., VM10. Consequently, ten virtual machines VM1, VM2, VM3, ..., VM10 use the crufä ⁇ ability of a gigabit network card to communicate with their associated peripherals.
  • both software and hardware must meet real-time criteria. This means in other words that all events must be processed in time, ie, must be the execution of a task within a limited hours ⁇ th time interval.
  • the virtual machines VM1, VM2, VM3,... On the host system HS-in terms of network technology-represent individual computers. Accordingly, they must also be individually addressable and preferably have their own communication connection and a corresponding communication medium.
  • the communication medium assigned to the virtual machine VM1, VM2, VM3,... Is in each case a virtual network card VK1, VK2, VK3,.
  • the invention makes use of the performance of modern network cards by allowing the data traffic of several virtual network cards VK1, VK2, VK3,... Under real-time conditions a single physical network card PK to bundle.
  • a configuration on a host system HS reali- Siert be, in each running thereon virtual machine VM1, VM2, VM3, ... to communicate real-time capability with a subnetwork or its periphery, while the data transport is bundled phy ⁇ sikalisch via a line containing a multiple of the data throughput of a virtual network card VK1, VK2, VK3, ....
  • the individual subnetworks LAN 1, LAN 2 correspond to network components which in turn form further subnetworks or peripheral devices KU, K12, K13,... Or K21, K22,
  • the physical network card PK is set up in such a way that it filters individual data packets and thus supplies the virtual network cards VK1, VK2, VK3... Of the respective virtual machines VM1, VM2, VM3, ... can assign.
  • a virtual network map ⁇ VK1, VK2, VK3 ... provided that a network address is assigned, which in turn map in the physical network deposited.
  • Data packets for the respective address of the virtual machine VM1, VM2, VM3,... Are filtered out on the physical network card PK and sent directly to the matching virtual machine VM1, VM2, VM3,.
  • the host system HS has to riding do not provide processing power loading, as this assignment is already on the physi ⁇ rule NIC PK.
  • the physical network card PK additionally can sort out certain data packets which can be distinguished on the basis of a header, in this case Ethernet headers.
  • a header in this case Ethernet headers.
  • An example of this is real-time-relevant data which have a different value in this field than, for example, standardized TCP-IP data. Data packets. The real-time data can then be sent via a specific interrupt to the virtual machine VM1, VM2,
  • VM3, ... forwarded.
  • the distinction as to whether the data packet is a real-time-relevant packet is essential since, in the case of a time-critical interrupt, for example, the data packet is forwarded directly to the virtual machine VM1, VM2, VM3,. In this way, it is possible to reliably implement a real-time network environment for controlling PLC systems.
  • the host system and the respective virtual machines VM1, VM2, VM3, ... make this driver available related to the actual hardware, the respective number of hits - cores - coordinated so that no collisions occur to ei ⁇ ner data corruption could result in the transmission of data packets.
  • the preprocessing in the physical network card PK is deterministic, so that data packets or the interrupts announcing these arrive directly and with a defined latency in the virtual machines VM1, VM2, VM3,...
  • the physical network card PK of the host system HS appears to the individual virtual machines VM1, VM2, VM3, ... even as a virtual network card.
  • VM3, ... in each case as if it were assigned to a physical network ⁇ card.
  • Further drivers in the host system coordinate the transmission times of the data packets sent by the virtual machines VM1, VM2, VM3,... So that the required real times on the physical line of the physical network card PK can also be maintained here.
  • another driver in host system can comply with the previously allocated bandwidth quotas for the respective virtual network cards VK1, VK2, VK3 monitor.
  • the illustrated execution ⁇ example describes a special form of a para-virtualization an efficient physical network card PK.
  • this physical network card PK can filter the incoming data packets and forward them directly to various virtual machines VM1, VM2, VM3, etc. without loading the host system.
  • the driver on the host system acts as a data coordinator and feeds the data packets sent by the virtual machines VM1, VM2, VM3,... Into the data stream of the physical network card PK at the correct time.
  • data packets that pass back and forth between virtual machines VM1, VM2, VM3, ... can be forwarded directly by a driver of the host system HS without the physical network card being involved in the data transmission.
  • a driver of the host system HS ensures compliance with the correct timings when receiving the data packets through the virtual machines VM1, VM2,
  • Host system with slots for four physical network cards PK would thus allow a four-fold scaling of the previous embodiment by virtue of four physical see GBit network cards PK the data throughput of 40 virtual machines or virtual network cards VK1, VK2, VK3 ..., VK40 bundle with a data throughput of 100 MBit.
  • This provides a very powerful real-time control unit for programmable logic controllers would ⁇ example, can be created.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Host-System (HS) mit einer echtzeitfähigen Prozessorvorrichtung und einer echtzeitfähigen physikalischen Netzwerkkarte (PK) auf der zwei echtzeitfähige virtuelle Netzwerkkarten (VK1, VK2,... ) auf einer Prozessorvorrichtung emuliert werden, wobei die physikalische Netzwerkkarte (PK) derart ausgebildet ist, dass ein Datenpaket genau einer der beiden virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2,...) zugeordnet wird. Dadurch ist es möglich eine Bandbreite mehrerer virtueller Netzwerkkarten (VK1, VK2,...) auf einer physikalischen Netzwerkkarte (PK) zu bündeln.

Description

Beschreibung
Echtzeit-Ethernet in virtuellen Maschinen
Die Erfindung betrifft ein Host-System mit einer echtzeitfä- higen Prozessorvorrichtung und einer echtzeitfähigen physikalischen Netzwerkkarte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Host-Systems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Im Zuge der Konzentration und Zentralisierung der Datenverarbeitung werden viele Rechenprozesse auf Server vereint, wobei die Server wiederum in Serverfarmen von Datenverarbeitungszentren untergebracht werden. Dadurch wird die Wartung der einzelnen Maschinen erheblich erleichtert und das spezifische Knowhow an Ort und Stelle konzentriert.
Eine ähnliche Entwicklung setzt sich gegenwärtig auch im Be¬ reich der Speicherprogrammierbaren-Steuerungen (SPS) durch. Diese Geräte dienen der Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage und werden auf digitaler Basis programmiert. Um den üblichen Verdrahtungsaufwand zu minimieren, erfolgt die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit einer SPS über einen Feldbus.
Gegenwärtig werden die Bussysteme in modernen Anlagen von Netzwerken abgelöst oder durch diese ergänzt. Gegenüber Bussystemen sind Netzwerke (Ethernet) flexibler einsetzbar und schneller bei der Datenübertragung. Eine hohe Zuverlässigkeit dieser Systeme im Zusammenhang mit Speicherprogrammierbaren- Steuerungen kann jedoch nur im Rahmen von Echtzeitsystemen realisiert werden.
Ein Echtzeitsystem reagiert auf alle Ereignisse rechtzeitig und verarbeitet die Daten „schritthaltend" mit dem techni¬ schen Prozess. Bei einer Software, die EchtZeitbedingungen erfüllen soll, muss die maximale Laufzeit bestimmbar sein und darf keinen, nicht oder nur bedingt beeinflussbaren Faktoren unterliegen - sie muss also deterministisch sein. Die Ausführung eines Vorgangs innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls wird als deterministisch bezeichnet. Bei den in der vorliegenden Erfindung betrachteten Systemen handelt es sich insgesamt um Echtzeitsysteme . D. h. insbeson¬ dere, dass sowohl alle interagierenden Hardware- als auch Softwarekomponenten deterministisch reagieren. Eine herkömmliche Lösung mehrere Prozesse auf einem Host- System unterzubringen, sieht ein Mehrkernsystem vor, auf deren Rechenkernen jeweils eine virtuelle Maschine installiert ist, die jeweils mit einer physikalischen Netzwerkkarte des Host-Systems verbunden ist. Die einzelnen Netzwerkkarten sind dabei an Netzwerkkomponenten bzw. Peripheriegeräte gekoppelt, die wiederum mit den einzelnen Steuerungssystemen in Verbindung stehen. Die gegenwärtigen Lösungen erlauben jedoch selten mehr als vier physikalische Netzwerkkarten pro Host- System einzusetzen. Aufgrund der mangelnden Steckplätze ist ein Host-System in der Lage, lediglich vier virtuelle Maschinen, aufzunehmen, die jeweils einen Prozess in Echtzeit verarbeiten können. Dadurch sind die herkömmlichen Host-Systeme stark eingeschränkt. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Host-System bereitzustellen, das flexibel einsetzbar und leicht skalierbar ist. Diese Aufgabe wird mittels eines echtzeitfähigen Host-Systems ge¬ löst, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist so¬ wie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Host-Systems, welches die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen echtzeitfähigen Host-System ist ei- ne echtzeitfähige Prozessorvorrichtung und eine echtzeitfähige physikalische Netzwerkkarte vorgesehen, bei der zwei echt- zeitfähige virtuelle Netzwerkkarten auf der Prozessorvorrichtung emuliert werden, wobei die physikalische Netzwerkkarte derart ausgebildet ist, dass ein Datenpaket genau einer der beiden virtuellen Netzwerkkarten zugeordnet wird. Beim Host- System wird nur eine leistungsfähige physikalische Netzwerk¬ karte (Ethernet-Karte ) benötigt. Sie kann über logisch ge- trennte Netze mit verschiedenen Peripherie-Geräten kommunizieren .
Moderne Netzwerkkarten, die auch einen hohen Datendurchsatz haben, bieten neben der eigentlichen Netzwerkfunktionalität auch ein gewisses Maß an Verarbeitungsleistung an, sodass eine Filterung eingehender Datenpakete möglich ist. Dies lässt sich dahingehend nutzen, dass das Host-System mit seiner physikalischen Netzwerkkarte unter mehreren verschiedenen Adressen im Netz erscheinen kann.
Bei der Vorverarbeitung von eingehenden Datentelegrammen bzw. Datenpaketen auf der physikalischen Netzwerkkarte, wird eine Zieladresse ausgewertet, sodass der Empfänger - hier eine virtuelle Netzwerkkarte - eindeutig bestimmt werden kann. Ei- ne virtuelle Maschine bzw. eine mit einer virtuellen Netz¬ werkkarte konfigurierte virtuelle Maschine, bekommt eine Netzwerkadresse zugewiesen, die wiederum in der physikali¬ schen Netzwerkkarte des Host-Systems hinterlegt ist. Datenpa¬ kete für diese Adresse werden auf der physikalischen Netz- werkkarte herausgefiltert und direkt an die passende virtuel¬ le Maschine geschickt. Das Host-System selbst muss dabei kei¬ ne Verarbeitungsleistung zur Verfügung stellen, da die Zuordnung der Datenpakete auf der physikalischen Netzwerkkarte des Host-Systems erfolgt. Ein solcher Aufbau reduziert den Verka- belungsaufwand und die Fehlergefahr bei der "Zustellung" der Datenpakete .
Vorzugsweise weist das Host-System eine Prozessorvorrichtung auf, die mehrere Rechenkerne enthält. Dadurch kann die Re- chenleistung des Host-Systems vervielfacht werden.
Um den Anforderungen an eine benötigte Zuverlässigkeit in Echtzeitsystemen gerecht zu werden, wird einem Rechenkern je- weils nur eine echtzeitfähige virtuelle Maschine zugeordnet. Eine Methode, die es erlaubt Ressourcen eines Computers zu¬ sammenzufassen oder aufzuteilen, wird als Virtualisierung bezeichnet. Die virtuelle Maschine bietet den weiteren Vorteil, dass der virtuelle Rechner auf dem sie läuft, neu gestartet werden kann, wenn er durch einen Fehler unbenutzbar geworden ist. Die anderen virtuellen Maschinen auf dem Host-System bleiben davon unberührt. Damit einzelne Prozesse leichter kontrolliert und deren Echt¬ zeitfähigkeit garantiert werden kann, wird jeweils einer vir¬ tuellen Maschine nur ein echtzeitfähiger Prozess zugeordnet.
In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist die Summe der vordefinierten Bandbreiten der virtuellen Netzwerkkarten so bemessen, dass eine maximale Bandbreite der physi¬ kalischen Netzwerkkarte des Host-Systems nicht überschritten wird. Auf diese Weise kann garantiert werden, dass eine vir¬ tuelle Netzwerkkarte jederzeit eine zugesicherte Bandbreite erhält. Nur so kann ein maximaler Datendurchsatz aller virtuellen Netzwerkkarten der virtuellen Maschinen zu jeder Zeit gewährleistet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die physikalische Netzwerkkarte des Host-Systems mit einem echtzeitfähigen Ethernet zu betreiben. Dies ist nicht nur hinsichtlich der Kompatibilität zu bestimmten Netzwerkkarten und deren Treibern wichtig, sondern auch im Hinblick auf die Übertragungssicherheit. Auf diese Weise kann das Übertragungsprotokoll und die damit ar- beitenden Netzwerkkarten leichter aufeinander abgestimmt werden und damit eine Echtzeitfähigkeit erreicht werden.
Bei einer besonders bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist die physikalische Netzwerkkarte des Host-Systems einge- richtet Datenpakete zu filtern. Dadurch kann das Host-System zusätzlich entlastet werden, da eine Zuordnung der Datenpakete auf der physikalischen Netzwerkkarte erfolgt, ohne dazu die Verarbeitungsleistung des Host-Systems, d.h. Filterung, Zuordnung und Übertragung in Anspruch genommen werden.
Besonders zweckdienlich ist es, wenn die physikalische Netz- werkkarte des Host-Systems eine Zuordnung der jeweiligen Da¬ tenpakete zu den jeweiligen Rechenkernen und/oder darauf laufenden virtuellen Maschinen auf der Basis eines Datenpaket- Headers vornimmt. Diese Filterung erlaubt das Aussortieren bestimmter Datenpakte, beispielsweise von echtzeitrelevanten Datenpaketen, so dass eine bevorzugte Behandlung solcher Datenpakete im Vergleich zu "normalen" Datenpaketen angestoßen werden kann. So lassen sich Datenpakete priorisieren und zeitkritische Prozesse zuverlässig ansteuern. Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Host-Systems mit einer echtzeitfähigen Prozessorvorrichtung und einer echtzeitfähigen physikalischen Netzwerkkarte vor, bei der zwei echtzeitfähige virtuelle Netzwerkkarten auf der Prozessorvorrichtung emuliert werden, wobei die physikalische Netzwerkkarte genau ein Datenpaket einer der beiden virtuellen Netzwerkkarten zuordnet. Dies lässt sich dahingehend nutzen, dass das Host-System mit sei¬ ner physikalischen Netzwerkkarte unter mehreren verschiedenen Adressen im Netz erscheint. Bei einer "Vorverarbeitung" der eingehenden Datenpakete auf der physikalischen Netzwerkkarte wird die Zieladresse ausgewertet, sodass der Empfänger - die virtuelle Netzwerkkarte bzw. virtuelle Maschine - eindeutig bestimmt werden kann. Eine Adressübersetzung durch das Hostsystem kann deswegen entfallen.
In einer bevorzugten Aus führungs form erfolgt ein Austausch von Datenpaketen zwischen den einzelnen virtuellen Netzwerkkarten und der physikalischen Netzwerkkarte des Host-Systems direkt. Auf diese Weise können Echtzeit-Daten sofort an die virtuelle Maschine gemeldet werden, sodass dort eine bevor¬ zugte Behandlung im Vergleich zu "normalen" nicht zeitkritischen Datenpaketen angestoßen werden kann. In einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung erfolgt der Austausch von Datenpakten zwischen den einzelnen virtuellen Netzwerkkarten auch direkt. Auf diese Weise wird wiederum die physikalische Netzwerkkarte des Host-Systems entlastet und die Kommunikation der einzelnen virtuellen Maschinen untereinander beschleunigt.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Aus führungs formen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine skizzenhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Host-Systems, wie es bei einer Steuerung von SPS-Komponenten zum Einsatz kommt .
Ein Host-System HS dient der Aufnahme mehrerer Steuerungspro¬ zesse einer Speicherprogrammierbaren-Steuerung (SPS) .
Auf einzelnen Rechenkernen des Host-Systems HS werden mehrere virtuelle Maschinen VM1, VM2, VM3, ... installiert. Auf jeder virtuellen Maschine VM1, VM2, VM3, ... läuft jeweils ein unabhängiger Steuerungsprozess . Darüber hinaus ist jeder virtuel¬ len Maschine VM1, VM2, VM3, ... eine virtuelle Netzwerkkarte VK1, VK2, VK3, ... zugeordnet, die über ein Netzwerk mit Peri- pheriegeräten in Verbindung stehen. Das Host-System HS ist in diesem Beispiel mit einer leistungsfähigen physikalischen (Ethernet- ) Netzwerkkarte PK ausgestattet. Sie dient als Schnittstelle zwischen den Peripheriegeräten KU, K12, K13, K21... K23 und den einzelnen virtuellen Netzwerkkarten VK1, VK2, VK3. Die vorliegende physikalische Netzwerkkarte PK bie¬ tet einen hohen Datendurchsatz und weist neben der eigentlichen Netzwerkfunktionalität auch ein gewisses Maß an Verar¬ beitungsleistung auf, sodass eine Filterung der eingehenden und ausgehenden Datenpakete möglich ist. In diesem Beispiel ist eine Gigabit-Netzwerkkarte vorgesehen, die es erlaubt, einen generierten Datenfluss von mehreren Netzwerkkarten - hier den virtuellen Netzwerkkarten VK1, VK2, VK3, ... - zu bewältigen. Unter der Verwendung dieser leistungsfähigen physi- kaiischen Netzwerkkarte PK können mehrere virtuelle Maschinen VM1, VM2, VM3, ... gleichzeitig eine den virtuellen Maschine VM1, VM2, VM3, ... zugeordnete Bandbreite nutzen. Eine physi¬ kalische Gigabit-Netzwerkkarte PK kann demnach zehn 100 Mbit- Verbindungen bündeln. Somit können zehn virtuelle Netzwerkkarten VKl, VK2, VK3 , ... , VK10 den virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3,..., VM10 zugeordnet werden. Folglich können zehn virtuelle Maschinen VM1, VM2, VM3, ... , VM10 die Leistungsfä¬ higkeit einer Gigabit-Netzwerkkarte nutzen, um mit den ihnen zugeordneten Peripheriegeräten zu kommunizieren.
Damit eine echtzeitfähige Umgebung geschaffen werden kann, muss sowohl die Software als auch die Hardware den Kriterien der Echtzeit entsprechen. Dies bedeutet in anderen Worten, dass alle Ereignisse rechtzeitig verarbeitet werden müssen, d.h., die Ausführung eines Vorgangs innerhalb eines bestimm¬ ten Zeitintervalls erfolgen muss.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellen die virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... auf dem Host-System HS - netzwerktechnisch gesehen - individuelle Rechner dar. Sie müssen demnach auch individuell adressierbar sein und möglichst eine eigene Kommunikationsverbindung sowie ein entsprechendes Kommunikationsmedium haben. Das der virtuellen Maschine VM1, VM2, VM3, ... zugeordnete Kommunikationsmedium ist vorliegend jeweils eine virtuelle Netzwerkkarte VKl, VK2, VK3, ... .
Durch die Realisierung von virtuellen Netzwerkkarten VKl, VK2 , VK3 , ... gelingt es auf einem gegenwärtigen Host-System
HS mehr als vier Netzwerkanschlüsse zu verwirklichen .
Da im Allgemeinen bei solchen Host-Systemen HS die Steckplät ze nur begrenzt vorhanden sind, macht sich die Erfindung die Leistungsfähigkeit von modernen Netzwerkkarten zu Nutze, indem sie es erlaubt unter EchtZeitbedingungen den Datenverkeh mehrerer virtueller Netzwerkkarten VKl, VK2, VK3, ... auf einer einzelnen physikalischen Netzwerkkarte PK zu bündeln. Da mit kann eine Konfiguration auf einem Host-System HS reali- siert werden, in der jede darauf laufende virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... echtzeitfähig mit einem Teilnetz bzw. deren Peripherie zu kommunizieren, während der Datentransport phy¬ sikalisch über eine Leitung gebündelt wird, die ein Vielfa- ches des Datendurchsatzes einer virtuellen Netzwerkkarte VK1, VK2, VK3, ... aufweist.
In der Figur entsprechen die einzelnen Teilnetze LAN 1, LAN 2... Netzkomponenten, die wiederum weitere Teilnetze bilden oder Peripheriegeräte KU, K12, K13, ... bzw. K21, K22,
K23, ... enthalten. Durch eine feste Zuteilung einer definierten Bandbreite an jede virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... wird das echtzeitfähige Ethernet quasi partitioniert , sodass jede virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... eine Verbindung mit definierten Leistungsdaten erhält.
Um eine schnelle und sichere Verarbeitung zu gewährleisten, ist die physikalische Netzwerkkarte PK derart eingerichtet, dass sie einzelne Datenpakete filtern und damit den virtuel- len Netzwerkkarten VK1, VK2, VK3... der jeweiligen virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... zuordnen kann. Dazu ist für jede virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... eine virtuelle Netzwerk¬ karte VK1, VK2, VK3... vorgesehen, der eine Netzwerkadresse zugewiesen wird, die wiederum in der physikalischen Netzwerk- karte hinterlegt ist. Datenpakete für die jeweilige Adresse der virtuellen Maschine VM1, VM2, VM3, ... werden auf der physikalischen Netzwerkkarte PK herausgefiltert und direkt an die passende virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... geschickt. Das Host-System HS muss dabei keine Verarbeitungsleistung be- reitstellen, da diese Zuordnung bereits auf der physikali¬ schen Netzwerkkarte PK erfolgt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die physikalische Netzwerkkarte PK zusätzlich noch bestimmte Datenpakete aus- sortieren, die anhand eines Headers - hier Ethernet-Headers - unterschieden werden können. Als Beispiel seien hier echt- zeitrelevante Daten genannt, die einen anderen Wert in diesem Feld haben als beispielsweise standardisierte TCP-IP- Datenpakete. Die Echtzeit-Daten können dann über einen bestimmten Interrupt an die virtuelle Maschine VM1, VM2,
VM3, ... weitergeleitet werden. Die Unterscheidung, ob es sich bei dem Datenpaket um ein echtzeitrelevantes Paket handelt ist wesentlich, da im Falle eines beispielsweise zeitkritischen Interrupts das Datenpaket direkt an die virtuelle Maschine VM1, VM2, VM3, ... bzw. deren Rechenkern durchgeleitet wird. Auf diese Weise lässt sich zu- verlässig eine echtzeitfähige Netzwerkumgebung zur Steuerung von SPS-Systemen umsetzen.
Das Host-System und die jeweiligen virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... stellen dabei Treiber zur Verfügung, die die je- weiligen Zugriffe auf die eigentliche Hardware - Rechenkerne - koordiniert, sodass keine Kollisionen entstehen, die zu ei¬ ner Datenverfälschung bei der Übertragung der Datenpakete führen könnten. Dabei ist die Vorverarbeitung in der physikalischen Netzwerkkarte PK deterministisch, sodass Datenpakete bzw. die Interrupts, die diese ankündigen, unmittelbar und mit einer definierten Latenz in den virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... ankommen.
Bei der vorliegenden Realisierung erscheint die physikalische Netzwerkkarte PK des Host-Systems HS den einzelnen virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... selbst als virtuelle Netzwerkkarte. Dabei verhält sich die virtuelle Maschine VM1, VM2,
VM3, ... jeweils so, als ob ihr eine physikalische Netzwerk¬ karte zugeordnet wäre. Weitere Treiber im Host-System koordi- nieren die Sendezeitpunkte der von den virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... losgeschickten Datenpakete, sodass auch hier die geforderten Echt-Zeiten auf der physikalischen Leitung der physikalischen Netzwerkkarte PK eingehalten werden können .
Darüber hinaus kann ein weiterer Treiber in Host-System die zuvor zugeteilten Bandbreitenkontingente für die jeweiligen virtuellen Netzwerkkarten VK1, VK2, VK3... einhalten und überwachen. Demnach beschreibt das dargestellte Ausführungs¬ beispiel eine spezielle Form einer Paravirtualisierung einer leistungsfähigen physikalischen Netzwerkkarte PK. Diese physikalische Netzwerkkarte PK kann zum einen die eingehenden Datenpakete filtern und direkt ohne Belastung des Host- Systems an verschiedene virtuelle Maschinen VM1, VM2, VM3, ... weiterreichen. Zum anderen fungiert der Treiber auf dem Host- System als Datenkoordinator und speist die von den virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... gesendeten Datenpakte zum richti- gen Zeitpunkte in den Datenstrom der physikalischen Netzwerkkarte PK ein.
Somit können mehreren virtuellen Maschinen VM1, VM2, VM3, ... die Verfügbarkeit einer echtzeitfähigen Ethernet-Verbindung vorgetäuscht werden, die es ermöglicht Echtzeit-Systeme in den virtuellen Maschinen laufen zu lassen, wobei diese dadurch über eine Echtzeit-Kommunikation verfügen.
Darüber hinaus können Datenpakete, die zwischen den virtuel- len Maschinen VM1, VM2, VM3, ... hin und her laufen direkt von einem Treiber des Host-Systems HS weitergeleitet werden, ohne dass die physikalische Netzwerkkarte bei der Datenübertragung involviert wird. Auch hier sorgt ein Treiber des Host-Systems HS für die Einhaltung der korrekten Timings beim Empfangen der Datenpakete durch die virtuellen Maschinen VM1, VM2,
VM3,...und löst die zur Benachrichtigung notwendigen Interrupts der Software aus.
Durch die Verteilung der virtuellen Maschinen VM1, VM2,
VM3, ... auf getrennte Rechenkerne des Host-Systems HS findet eine Verarbeitung der Datenpakete vollkommen parallel statt, was eine Qualität der Synchronisation der Abläufe weiter erhöht . Zur Vervollständigung einer maximalen Ausbaustufe bei einem
Host-System mit Steckplätzen für vier physikalische Netzwerkkarten PK würde demnach eine vier-fache Skalierung der vorhergehenden Aus führungs form ermöglicht, indem vier physikali- sehe GBit Netzwerkkarten PK den Datendurchsatz von 40 virtuellen Maschinen bzw. virtuellen Netzwerkkarten VK1, VK2, VK3... , VK40 mit einem Datendurchsatz von 100 MBit bündeln würden. Dadurch würde beispielsweise eine sehr leistungsfähige echtzeit-Steuerungseinheit für Speicherprogrammierbare¬ steuerungen geschaffen werden können.
In weiteren hier nicht dargestellten Aus führungs formen lässt sich die Integration verschiedener bislang getrennter Geräte in einem einzelnen Host-System HS vollziehen.
Bezugs zeichenliste
HS Host-System
KU, K12, K13, ... Peripherie
K21, K22, K23, ... Peripherie
LAN1, LAN2, ... Netzwerkkomponente,
PK physikalische Netzwerkkarte
VM1, VM2, VM3, ... virtuelle Maschinen
VK1, VK2, VK3, ... virtuelle Netzwerkkarte

Claims

Patentansprüche
1. Host-System (HS) mit einer echtzeitfähigen Prozessorvorrichtung und einer echtzeitfähigen physikalischen Netzwerkkarte (PK)
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei echtzeitfähige virtuelle Netzwerkkarten (VK1, VK2, ... ) , auf der Prozessorvorrichtung emuliert werden, wobei die physikalische Netzwerkkarte (PK) derart aus¬ gebildet ist, dass ein Datenpaket genau einer der bei¬ den virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2, ...) zugeordnet wird.
2. Host-System (HS) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prozessorvorrichtung mehr als einen Rechenkern aufweist.
3. Host-System (HS) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils einem Rechenkern nur eine echtzeitfähige virtu¬ elle Maschine (VM1, VM2, VM3,...) zugeordnet ist.
4. Host-System (HS) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils einer virtuellen Maschine (VM1, VM2, VM3,...) nur ein echtzeitfähiger Prozess zugeordnet ist.
5. Host-System (HS) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Summe von vordefinierten Bandbreiten der virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2, ...) eine maximale Bandbreite der physikalischen Netzwerkkarte (PK) des Host-Systems (HS) nicht übersteigt.
6. Host-System (HS) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Netzwerkkarte (PK) des Host-Systems (HS) mit einem echtzeitfähigen Ethernet betrieben wird.
Host-System (HS) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die physikalische Netzwerkkarte (PK) des Host-Systems (HS) eingerichtet ist, Datenpakete zu filtern.
Host-System nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die physikalische Netzwerkkarte (PK) des Host-Systems (HS) eingerichtet ist, die Filterung und Zuordnung der Datenpakete zu den jeweiligen Rechnerkernen und/oder den darauf laufenden virtuellen Maschinen (VM1, VM2,
VM3,...) nach Ethertype und/oder Interrupts vorzunehmen.
Verfahren zum Betreiben eines Host-Systems (HS) mit ei¬ ner echtzeitfähigen Prozessorvorrichtung und einer echt- zeitfähigen physikalischen Netzwerkkarte (PK)
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei echtzeitfähige virtuelle Netzwerkkarten (VK1, VK2, ... ) , auf der Prozessorvorrichtung emuliert werden, wobei die physikalische Netzwerkkarte (PK) ein Datenpa¬ ket genau einer der beiden virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2, ...) zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austausch von Datenpaketen zwischen den einzelnen virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2, ...) und der physikalischen Netzwerkkarte (PK) des Host-Systems (HS) di¬ rekt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austausch von Datenpaketen zwischen den einzelnen virtuellen Netzwerkkarten (VK1, VK2, ...) direkt erfolgt.
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