WO2016110327A1 - Verfahren und vorrichtung zum übertragen von daten in einem datennetz mit zumindest zweierlei übertragungsmodi mit fragmentierung - Google Patents

Abstract

Das beanspruchte Verfahren bzw. die Vorrichtung wird zum Übertragen von Daten in einem Datennetz basierend auf den Ethernet Standards verwendet, mit zumindest einem ersten Datenübertragungsmodus und zumindest einem zweiten, von der ersten verschiedenen Datenübertragungsmodus, wobei der erste Datenübertragungsmodus zur Übertragung von höherprioreren Datenpaketen für Echtzeitkommunikation eingerichtet und geeignet ist, und wobei der zweite Datenübertragungsmodus eingerichtet und geeignet ist, niederpriorere Datenpakete, für welche keine Echtzeitkommunikation erforderlich ist, zu übertragen. Dabei wird ein niederpriores Datenpaket in eine geeignete Anzahl M Datenfragmente fragmentiert, wobei M >=1 ist und die ersten M-1 Datenfragmente eine Fragmentgröße N nicht unterschreiten und bei Vorhandensein eines höherprioren Datenpakets zur Übertragung die Übertragung eines niederprioren Datenpakets sofort unterbrochen wird und nach erfolgter Übertragung des höherprioren Datenpaketes die Übertragung des unterbrochenen niederprioren Datenpaketes an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Übertragen von Daten in einem Datennetz mit zumindest zweierlei Übertragungsmodi mit Fragmentierung

Datenübertragung für Echtzeitanwendungen werden immer wichtiger. Inzwischen gibt es zahllose Anwendungsgebiete, von der Automatisierungs- und Produktionstechnik über Lokalisierungen bis hin zu Streaming von Audio und Video nehmen die Anwendungsgebiete immer weiter zu. Hoch performante Anwendungen wie z. B. für Bewegungsregelungssystem (Motion Control, also die Regelung der Pose, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder einer Kombination daraus) brauchen dabei eine garantierte Dienstgüte. Diese sogenannte Quality of Service (QoS) beschreibt die Güte eines Kommunikationsdienstes aus der Sicht der Anwender, das heißt, wie stark die Güte des Dienstes mit deren Anforderungen übereinstimmt.

Damit derzeit eine Dienstgüte für Echtzeitkommunikation garantiert werden kann, ist jeder Echtzeit-Anwendung ein eigenes Netzwerk zugeordnet. Dies ist natürlich aufwändig und teuer. Stattdessen fordern immer mehr Industriebereiche, insbesondere die Automatisierungs- und Automobil-Industrie sowie der Energiebereich (Smart-Grid) und andere, ein Kommunikations-Netzwerk, das auf Basis eines einzigen standardisierten Protokolls für alle Kommunikations-Dienste von der Feldbus- Ebene bis zur Management-Ebene geeignet ist.

Im industriellen Bereich hat sich seit 2000 die Kommunikation auf Basis des Ethernet-Protokolls immer mehr durchgesetzt. Aktuell arbeiten Arbeitsgruppen an einer Erweiterung des Ethernet-Standards IEEE802.1/ .3, der für alle Kommunikations- Dienste von der Feldbus-Ebene bis zur Management-Ebene in einem einzigen konvergenten sogenannten Time-Sensitive Network (TSN) geeignet ist und für jeden dieser Dienste eine ausreichende Dienstgüte (Quality of Service, QoS) garantiert. Trotz dieser Koexistenz verschiedener Dienste unterschiedlicher Priorität im selben Netzwerk muss für die Übertragung von beispielsweise den Kontroll-Daten (Control-Data-Traffic, CD- Traffic) , für jeden Pfad zwischen Controller und dem Gerät, eine minimale Übertragungszeit (Low-Latency) und ein minimaler Jitter (Low-Jitter) garantiert sein. Dies ist nur möglich, wenn Datenpakete von Diensten niedrigerer Priorität die Übertragung von Echtzeitdaten so wenig wie möglich beeinflussen .

Um kürzeste Latenzzeiten mit minimalem Jitter zu erreichen wurde der Ethernet Standard IEEE 802.1/.3 in der IEC 61158 Type 10 PROFINET um eine zeitbasierte Weiterleitung im Kommunikations-Netzwerk für hoch performante Anwendungen erweitert (PROFINET isochroneous Realtime IRT) .

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die IEEE802.1Qbv Arbeitsgruppe „Enhancements for Scheduled Traffic".

Beide Verfahren reservieren Zeitschlitze für die Weiterleitung zeitkritischer Daten beginnend beim Sender, weiter in jeder auf dem Weg zum Empfänger durchlaufenen Netzkomponente.

Die Nachteile dieser beiden Verfahren liegen im hohen Aufwand der Erstellung eines kollisionsfreien Fahrplans für

hochperformante Anwendungen auf einem gemeinsam genutzten Kommunikations-Netzwerk unter Einbeziehung aller Komponenten auf dem Weg zwischen kommunizierenden Teilnehmern sowie der Tatsache, dass reservierte Zeiten bei Nichtnutzung den nie- derprioren Dienste nicht zur Verfügung stehen (Verschwendung von Bandbreite) .

Problematisch sind auch Verspätungen von hochprioren Datenpaketen, die zu Datenverlust oder zur Beeinträchtigung nieder- prioren Verkehrs führen .

Außerdem erarbeitet die IEEE802.3br „Interspersing Express Traffic" (IET) Arbeitsgruppe zusammen mit der IEEE802.1Qbu „Frame Preemption" Arbeitsgruppe ein Konzept für einen zukünftigen IEEE802.3 Ethernet-Standard in dem Dienste mit Echtzeitdaten mittels Präemption (also der zeitweisen Unter- brechung der Bearbeitung einzelner Prozesse zugunsten anderer) Datenpakete von Diensten niedrigerer Priorität unterbre^¬ chen können. In diesem Konzept wird nach dem Senden der Daten eines Echtzeitdaten-Dienstes, der das Senden eines Dienstes niedrigerer Priorität unterbrochen hat, mit dem Senden der bis zur Unterbrechung noch nicht gesendeten niederprioren Daten fortgefahren. Ein erneutes Senden der bis zum Unterbrechungszeitpunkt bereits gesendeten Daten ist nicht vorgese^¬ hen. Jeder Ethernet-Frame und damit auch jedes Fragment eines durch Präemption unterbrochenen niederprioren Datenpakets muss eine Mindestlänge von 64 Byte haben.

Dies hat zur Folge, dass folgende Datenpakete bei der Über^¬ tragung nicht unterbrochen werden dürfen:

- ein Datenpaket mit einer Paketlänge kleiner als 128 Byte,

- ein Datenpaket mit einer Paketlänge grösser als 128 Byte bis zum Zeitpunkt an dem noch nicht 64 Byte gesendet sind,

- ein Folge-Fragment mit einer noch zu sendenden Restlänge grösser als 128 Byte bis zum Zeitpunkt an dem vom Folge- Fragment noch nicht 64 Byte gesendet sind,

- ein Datenpaket ab dem Zeitpunkt an dem noch weniger als 64 Byte zu senden sind und

- das letzte Folge-Fragment eines unterbrochenen Datenpakets mit einer Fragmentlänge kleiner als 128 Byte.

Die Übertragungszeit und der Jitter von hochprioren Datenpa^¬ keten kann sich dadurch an jedem Netzwerkknoten im ungünstigsten Fall um 11 ]is bei 100 MBit/s bzw. um 1,1 ]is bei 1 GBit/s erhöhen.

Ein anderes Präemptionskonzept vermeidet bei hochprioren Da^¬ tenpaketen diese Zunahme der Übertragungszeiten und des Jitters dadurch, dass niederpriore Datenpakete an jedem Byte im Datenpaket von hochprioren Datenpaketen unterbrochen wer- den dürfen. Allerdings wird nach jeder Unterbrechung des niederprioren Datenpakets durch ein hochpriores Datenpaket das komplette niederpriore Datenpaket erneut gesendet. Dies er^¬ höht nicht nur die Busbelastung sondern kann auch dazu füh- ren, dass ein niederpriores Datenpaket durch permanente Unterbrechungen stark verzögert wird.

Es ist Aufgabe der nachfolgenden Erfindung, ein für alle Kom- munikations-Dienste geeignetes Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten auf Basis eines einzigen standardisierten Protokolls anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche .

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Übertragen von Daten in einem Datennetz basierend auf den Ethernet Standards verwendet, mit zumindest einem ersten Datenübertragungsmodus und zumindest einem zweiten, von der ersten verschiedenen Datenübertragungsmodus, wobei der erste Datenübertragungsmodus zur Übertragung von höherprioreren Datenpaketen für Echtzeitkom- munikation eingerichtet und geeignet ist, und wobei der zweite Datenübertragungsmodus eingerichtet und geeignet ist, niederpriorere Datenpakete, für welche keine Echtzeitkommunikation erforderlich ist, zu übertragen. Dabei wird ein niederpriores Datenpaket in eine geeignete Anzahl M Daten- fragmente fragmentiert, wobei M >=1 ist und die ersten M-l

Datenfragmente eine Fragmentgröße N nicht unterschreiten und bei Vorhandensein eines höherprioren Datenpakets zur Übertragung die Übertragung eines niederprioren Datenpakets sofort unterbrochen wird und

nach erfolgter Übertragung des höherprioren Datenpaketes die Übertragung des unterbrochenen niederprioren Datenpaketes an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die

Fragmentgröße der Datenpakete N >= 64 Byte. Das unterbrochene niederpriore Datenpaket kann zur besseren Erkennbarkeit durch den Empfänger mit einem fehlerhaften CRC abgeschlossen werden.

Nach Unterbrechung der Übertragung des niederprioren Datenpakets wird in einer weiteren Ausgestaltungsform die Übertragung des höherprioren Datenpakets nach Ablauf einer Übertragungslücke (IFG) gestartet wird. Die Länge der Übertragungs- lücke entspricht dabei insbesondere der Zeitdauer für die Übertragung von 12 Byte.

Im Folgenden wird ein Präemption- erfahren vorgestellt, welches die zuvor erwähnten Wartezeiten von hochprioren Datenpa- keten bei der Unterbrechung von niederprioren Datenpaketen vermeidet ohne die Belastung des Kommunikationsnetzes merklich zu erhöhen. Die weiter oben genannten Nachteile zeitbasierter Verfahren entfallen. Die Erfindung wird durch die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 ein Beispiel einer Fragmentierung eines niederprioren 400 Byte Datenpakets in zwei 128 Byte Fragmente und ein 154 Byte Fragment und

Figur 2 eine Unterbrechung des in Figur 1 beispielhaft aufgeführten niederprioren 400 Byte Datenpakets im zweiten Fragment durch ein höherpriores Datenpaket.

Das erfindungsgemäße Präemption- erfahren ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

Jedes gültiges Fragment eines unterbrochenen niederprioren Datenpakets hat eine Fragmentlänge größer gleich 64 Byte, d. h. dieses Präemption-Verfahren erzeugt keine Short-Frames , welche bei Ethernet ungünstig für eine Kollisionserkennung wären und daher vermieden werden. Jedes niederpriore Datenpaket, Datenpaket A, enthält einen Header mit Preamble und SMD-S, einen Nutzdatenteil und eine abschließende Checksumme. Dieses Datenpaket wird nun erfindungsgemäß in mehrere (also eine Anzahl M > 1) Fragmente, AI, A2, A3, mit einer Fragmentlänge von N x 64 Byte (N > 1) aufgeteilt und gesendet, wobei im letzten Fragment N x 64 Bytes plus die restlichen, nicht durch (N x 64) teilbaren Bytes, übertragen werden, siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden ..

Jedes Fragment enthält dabei einen eigenen Header mit Präambel, Preamble (7 Byte), SMD-Cx (1 Byte), und Fragmentnummer Frag_Cnt (1 Byte) . Am Ende des Fragments befindet sich ein Checksummen-Anzeiger valid_CRC, welcher in dem in Figur 1 beschriebenen Fall einen gültigen Wert aufweist, welcher an- zeigt, dass das Fragment in Gänze übertragen wurde.

Die einzelnen Fragmente werden jeweils nach einer kurzen Übertragungslücke, dem Inter-Frame-Gap IFG, übertragen. Dieser entspricht der Übertragungszeit 12 Byte.

Die Aufteilung eines Datenpakets in M Fragmente erfordert al- so (M-l) mal 25 zusätzliche Bytes.

Jedes der M Fragmente AI, A2 , A3 eines niederprioren Datenpakets kann nun durch ein hochpriores Datenpaket B Byte- granular unterbrochen werden. In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel geschieht dies während der Übertragung des zweiten

Fragments, U. Dieses unterbrochene Fragment erhält zur Ungül- tig-Kennzeichnung einen fehlerhaften Prüfwert, invalid_CRC. Dies kann in Form der letzten vier gesendeten Bytes, CRC32, des unterbrochenen Fragments oder optional auch durch Anhän- gen von vier ungültigen CRC-Bytes erfolgen.

Ab dem Unterbrechungszeitpunkt U kann das unterbrechende hochpriore Datenpaket B nach der Sendezeit eines ungültigen 4 Byte invalid_CRC und nach Ablauf der Übertragungslücke, 12 Byte Inter-Frame-Gap (IFG) Zeit, d.h. nach 1,3 ]is bei

100 MBit/s bzw. nach 128 ns bei 1 GBit/s, gesendet werden. Die Übertragungszeit und der Jitter (also das Taktzittern bei der Übertragung von Digitalsignalen, d. h. eine leichte Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt) von hochprioren Datenpaketen ist damit an jeder Netzwerkkomponente um bis zu einem Faktor 10 kleiner als bei bereits bekannten

Präemptionkonzepten .

Im Gegensatz zu den bekannten Präemptionkonzepten wird bei einer Unterbrechung nun nicht das gesamte Datenpaket A son- dern nur das unterbrochene Fragment A2 des Datenpakets erneut gesendet. Deshalb ist beim erfindungsgemäßen ersten

Präemption-Verfahren die Anzahl der wiederholt zu sendenden Bytes erheblich geringer als bei den bisher bekannten Verfahren .

Das vorgestellte erfindungsgemäße Präemption-Verfahren beschleunigt die Fragmentierung von niederprioren Datenpaketen durch hochpriore Datenpakete im Vergleich zu anderen

Präemptionkonzepten an jeder Netzwerkkomponente um bis zu ei- nem Faktor 10. Dabei ist bei beiden erfindungsgemäßen

Präemption-Verfahren die Anzahl der wiederholt zu sendenden Bytes erheblich geringer als bei Präemptionkonzepten mit vergleichbar kurzen Fragmentierungszeiten.

Damit kann für Datenpakete von Diensten hoher Priorität eine minimale Übertragungszeit und ein minimaler Jitter vom Controller zum Device garantiert werden, ohne dass die Busbelastung durch wiederholtes Senden von niederprioren Datenbytes merklich zunimmt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Datennetz basierend auf den Ethernet Standards, mit zumindest einem ers- ten Datenübertragungsmodus und zumindest einem zweiten, von der ersten verschiedenen Datenübertragungsmodus,

wobei der erste Datenübertragungsmodus zur Übertragung von höherprioreren Datenpaketen (B) für Echtzeitkommunikation eingerichtet und geeignet ist, und

wobei der zweite Datenübertragungsmodus eingerichtet und geeignet ist, niederpriorere Datenpakete (A) , für welche keine Echtzeitkommunikation erforderlich ist, zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass

ein niederpriores Datenpaket (A) in geeignete M Datenfragmen- te (AI, A2, A3) fragmentiert wird, wobei M >=1 ist und die ersten M-1 Datenfragmente eine Fragmentgröße N nicht unterschreiten und

bei Vorhandensein eines höherprioren Datenpakets zur Übertragung die Übertragung eines niederprioren Datenpakets sofort unterbrochen wird und

nach erfolgter Übertragung des höherprioren Datenpaketes die Übertragung des unterbrochenen niederprioren Datenpaketes an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt wird.

2. Verfahren zum Übertragen von Daten gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Fragmentgröße N >= 64 Byte beträgt.

3. Verfahren zum Übertragen von Daten gemäß einem der vorhe- rigen Patentansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das unterbrochene niederpriore Datenpaket mit einem fehlerhaften CRC abgeschlossen wird.

4. Verfahren zum Übertragen von Daten gemäß einem der vorherigen Patentansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterbrechung der Übertragung des niederprioren Datenpakets die Übertragung des höherprioren Datenpakets nach Ablauf einer Übertragungslücke (IFG) gestartet wird.

5. Verfahren zum Übertragen von Daten gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

die Länge der Übertragungslücke der Zeitdauer für die Übertragung von 12 Byte entspricht.

6. Vorrichtung geeignet und eingerichtet zum Senden von Daten in einem Datennetz basierend auf den Ethernet Standards, mit zumindest einem ersten Datenübertragungsmodus und zumindest einem zweiten, von der ersten verschiedenen Datenübert- ragungsmodus ,

wobei der erste Datenübertragungsmodus zum Senden von höherprioreren Datenpaketen (B) für Echtzeitkommunikation eingerichtet und geeignet ist, und

wobei der zweite Datenübertragungsmodus eingerichtet und geeignet ist, niederpriorere Datenpakete (A) , für welche keine Echtzeitkommunikation erforderlich ist, zu senden,

dadurch gekennzeichnet, dass

Fragmentierungsmittel ein niederpriores Datenpaket (A) in geeignete M Datenfragmente (AI, A2 , A3) fragmentieren, wobei M >=1 ist und die ersten M-l Datenfragmente eine Fragmentgröße N nicht unterschreiten und

bei Vorhandensein eines höherprioren Datenpakets zur Übertragung das Senden eines niederprioren Datenpakets sofort unterbrochen wird und

nach vollständigem Senden des höherprioren Datenpaketes das Senden des unterbrochenen niederprioren Datenpaketes an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt wird.

7. Vorrichtung zum Übertragen von Daten gemäß Patentanspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Fragmentgröße N >= 64 Byte beträgt.

8. Vorrichtung zum Übertragen von Daten gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

an das Ende des unterbrochenen niederprioren Datenpaketes ein fehlerhafter CRC angehängt wird.

9. Vorrichtung zum Übertragen von Daten gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 6 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

nach Unterbrechung der Übertragung des niederprioren Datenpakets die Übertragung des höherprioren Datenpakets nach Ablauf einer Übertragungslücke (IFG) gestartet wird.

10. Vorrichtung zum Übertragen von Daten gemäß Patentanspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Länge der Übertragungslücke der Zeitdauer für die Übertragung von 12 Byte entspricht.