WO2018130416A1 - Ats communication method for industrial applications - Google Patents

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WO2018130416A1
WO2018130416A1 PCT/EP2017/084799 EP2017084799W WO2018130416A1 WO 2018130416 A1 WO2018130416 A1 WO 2018130416A1 EP 2017084799 W EP2017084799 W EP 2017084799W WO 2018130416 A1 WO2018130416 A1 WO 2018130416A1
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WO
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bridge
queues
network
latency
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PCT/EP2017/084799
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Inventor
Feng Chen
Franz-Josef GÖTZ
Marcel Kiessling
An Ninh NGUYEN
Jürgen Schmitt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for transmitting data in an industrial application with a plurality of network components, in which the respective data is transmitted between the network components by means of at least one bridge, wherein at least two are used for the transmission of the data Queues can be specified.
  • the present invention relates to a bridge for a network system of an industrial application.
  • the present invention relates to a network system for an industrial application.
  • Ethernet is used in industrial communication for the transmission of time-critical and non-time-critical data. So far, the data are prioritized differently.
  • information from the telegrams is used to select a special queue with separate memory and preferred forwarding. This principle relies on a special mechanism that does not exist in the Ethernet standard.
  • IEEE AVB (Audio / Video Bridging) and the successor TSN (Time Sensitive Networking) have expanded the scope of existing Ethernet mechanisms.
  • a separate queue with a controlled preferred forwarding has been introduced.
  • the extended mechanisms are automatically configured in the network by means of a reservation protocol triggered by the terminal. For this purpose, the terminal or the network component must describe the data to be transmitted with predetermined parameters.
  • Targeted identification of real-time data and dedicated forwarding provide the latency guarantee needed for industrial communications and the loss of Prevents packets in the event of a temporary network overload.
  • the reservation protocol excludes that a technical maximum bandwidth for the specific forwarding is not exceeded. If the load is too high, new connections are rejected by the network and the forwarding is prevented. For different latency requirements there are so far different classes with AVB (typically two classes - one for audio and one for video data). Each class requires its own queue in the hardware with separate resources.
  • the amount of data must be defined in the transmission period specified by the class.
  • the sending period has a direct influence on the guaranteed latency and the required resources. The larger the transmission period, the greater the latency in the network and the more resources must be pre-reserved in each bridge.
  • overbooking can be provided by a too small class transmission period: a low latency can only be achieved by a small class transmission period.
  • the maximum latency results if the maximum bandwidth of all ports in the transmission period arrives at the beginning of the interval and should be forwarded via the same port. Due to the small transmission period, there are less data in this interval. The maximum delay is lower.
  • Applications with a larger application cycle must also specify a frame in the transmission period in the description of the data. This may result in a much larger bandwidth in the description for the reservation and a higher resource requirements.
  • Oversubscribing means fewer connections on the network can be accepted before the resources run out.
  • a greater latency and higher resource consumption can be provided by too large a class transmission period:
  • An increase in the class transmission period allows applications with a large application cycle to better describe the required bandwidth. As a result, fewer resources are needed and there is no overbooking.
  • the larger class transmitter period allows more frames to arrive at the beginning of the period. These are distributed evenly over the period in AVB in order to prevent an overload at the receiver (the next bridge or the receiving device). The longer interval allows more data to arrive at the beginning. The guaranteed latency is thus significantly greater.
  • An inventive method is used to transmit data in an industrial application with a plurality of network components.
  • the respective data are transmitted by means of at least one bridge between the network components, wherein at least two queues are specified for the transmission of the data.
  • the at least two queues are predetermined for different predetermined latency classes.
  • a latency request is determined by the respective data and the respective data are assigned to one of the at least two queues in dependence on the determined latency request and depending on the predetermined latency classes.
  • the process is intended to transfer data in an industrial application.
  • a network system can be used which has the plurality of network components.
  • the network components may be connected within the network system to one or more networks.
  • industrial application may be a
  • the industrial application can also serve to monitor an industrial process and / or process automation.
  • the respective network components may be assigned to individual components of the industrial application.
  • the components may be machines, actuators, sensors or the like.
  • the bridge German: bridge
  • the bridge which may also be referred to as a switch, connects the network components at the level of a layer in the network system. It can also be provided that the network system has several bridges. Within the at least one bridge at least two cues are provided to which the data is divided for transmission.
  • a queue which can also be called a queue, is a data structure. This serves to temporarily store the data in an order before they are processed further or transmitted to one of the network components.
  • the particular data to be transmitted has respective latency requirements and latencies, respectively. Latency classes are specified for the respective queues. Each latency class can be assigned an interval of latencies.
  • the proposed method uses the one by ATS
  • ATS (Asynchronous Traffic Shaping) to better transfer industrial applications with different application cycles.
  • ATS which is described for example in the standard IEEE 802.1, uses so-called sub-classes, based on a finer identification of different connections.
  • the ATS Shaper is actually intended for use in the automotive sector, where each connection is identified and a periodic transmission ensured. All connections share one or more queues. The number of queues required can be calculated by planning the entire network system with all subscribers during network design. Dynamic use as known from Ethernet is not supported yet.
  • Each bridge has one or more internally
  • An advantage of the proposed method is the dynamic arrangement per bridge. Another advantage of the proposed method is the support of multiple application cycles. Support for multiple application cycles becomes less Resources in the network components are needed and lower latency becomes possible.
  • Traffic shaping also known as traffic shaping refers to a type of queue management in data networks or networks in which data or data packets are delayed or discarded according to specific criteria in order to meet certain requirement profiles. As already explained, this is the one from the ATS
  • ATS Asynchronous Traffic Shaping known methods for industrial application expanded.
  • the ATS is described, for example, in the IEEE 802.1Qcr standard.
  • a new concept of the dynamic use of queues in combination with ATS uses the extension of ATS in combination with the different application cycles of industrial communication.
  • resources can be saved on the network. It can enable more connections in the network (more efficient overall system) while at the same time simpler network components (cheaper total price) are sufficient.
  • an individual earliest transmission time is specified for the respective transmission of the data.
  • the packets can not be overtaken - however, an individual earliest transmission time is specified per connection for the respective data or every frame in the queue. This maintains the transmit pattern of the data in the network. This mechanism is much easier to implement in hardware than a separate queue per connection.
  • Sub-priorities for which at least two queues are specified are specified.
  • Within the at least one bridge can respectively for the respective queues or their latency class be given a sub-priority.
  • a static assignment of the respective latency classes or the intervals of latencies to the sub-priorities can be predetermined.
  • the bridge defines its own assignment of the data to the queues.
  • a Qci Quality Class Identifier
  • respective bandwidths for the transmission of the data are predetermined by means of the at least one bridge for the at least two queues.
  • predetermined bandwidths or data rates can be specified in the respective queues.
  • a bridge according to the invention for a network system of an industrial application is designed for carrying out a method according to the invention and the advantageous refinements thereof. It is provided in particular that a standard hardware is used to provide the bridge or the switch. By using standard hardware, the development cost of the system is lower.
  • a network system according to the invention for an industrial application comprises a bridge according to the invention.
  • the network system includes a plurality of network components.
  • the network components can form one or more networks. Dynamic local ordering of connections into existing queues allows simple network components for simple networks to be combined with more powerful network components in a network. Cost-effective components can be combined at the field level with more powerful, more expensive components in the backbone network without the application having to know the details of each network component. must.
  • it is preferably provided that the respective network components are operated synchronized in time.
  • the network system is designed according to the Ethernet standard. Integration into the Ethernet standard ensures further development and compatibility.
  • the invention also includes a computer program product
  • Program code means stored in a computer-readable medium for carrying out the method according to the invention and the advantageous embodiments thereof when the computer program product is processed on a processor of a bridge.
  • a further aspect of the invention relates to a computer-readable medium in which program code means are stored in order to carry out the method according to the invention and the advantageous embodiments thereof when the program code means are loaded into a memory of a bridge and executed on a processor of the bridge.
  • the single figure shows a schematic representation of a network system 1.
  • the network system 1 is intended for use in an industrial application.
  • the network system 1 can be used for process automation.
  • the network system 1 comprises a plurality of network components 2. Data or data packets can be transmitted between the individual network components 2.
  • the network system 1 comprises a bridge 3, which serves to transmit the data between the individual network components 2.
  • a bridge 3 which serves to transmit the data between the individual network components 2.
  • several queues 4 or queues are provided, to which the data or data packets to be transmitted are divided.
  • the respective queues are assigned latent classes or latencies.
  • the data to be transferred has latency requirements. Depending on these latency requirements, the data may then be one of
  • Queues 4 are assigned.
  • ATS Asynchronous Traffic Shaping
  • sub-priorities for the respective queues 4 are defined.
  • the latency times or intervals for the respective sub-priorities can be defined.
  • a network design can be used to statically map (mappings) the intervals to sub-priorities.
  • the bridge 3 defines its own mapping.
  • network components 1 may simply be combined with more powerful network components 2 in the network system 1.
  • Supporting multiple application cycles requires fewer resources in each network component 2, resulting in lower overall latency.
  • the network system 1 according to the Ethernet

Abstract

The invention relates to a method for transmitting data in an industrial application having a plurality of network components (2), in which method the data in question are transmitted between the network components (2) by means of at least one bridge (3), at least two queues (4) being specified for transmitting the data. The at least two queues (4) are specified for different predetermined latency classes, a latency request is determined from the data in question, and the data in question is assigned to one of the at least two queues (4) depending on the determined latency request and depending on the predetermined latency classes.

Description

Beschreibung description
ATS Kommunikations-Verfahren für industrielle Anwendungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten in einer industriellen Anwendung mit einer Mehrzahl von Netzwerkkomponenten, bei welchem die jeweiligen Daten mittels zumindest einer Bridge zwischen den Netzwerkkomponenten übertragen wird, wobei für die Übertragung der Daten zumindest zwei Queues vorgegeben werden. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Bridge für ein Netzwerksystem einer industriellen Anwendung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Netzwerksystem für eine industrielle Anwendung . ATS Communication Method for Industrial Applications The present invention relates to a method for transmitting data in an industrial application with a plurality of network components, in which the respective data is transmitted between the network components by means of at least one bridge, wherein at least two are used for the transmission of the data Queues can be specified. In addition, the present invention relates to a bridge for a network system of an industrial application. Finally, the present invention relates to a network system for an industrial application.
Ethernet wird bei der industriellen Kommunikation für die Übertragung von zeitkritischen und nicht-zeitkritischen Daten verwendet. Bisher werden die Daten unterschiedlich priori- siert. Bei einer Kommunikation gemäß dem PROFINET-Standard wird eine Information aus den Telegrammen verwendet, um eine spezielle Queue mit getrenntem Speicher und bevorzugter Weiterleitung zu wählen. Dieses Prinzip setzt auf eine spezielle, nicht im Ethernet-Standard vorhandenen Mechanismus auf. In der IEEE ist mit AVB (Audio/Video Bridging) und dem Nachfolger TSN (Time Sensitive Networking) der Umfang der vorhandenen Ethernet-Mechanismen erweitert worden. Für zeitkritische Daten ist eine eigene Queue mit einer gesteuerten bevorzugten Weiterleitung eingeführt worden. Die erweiterten Me- chanismen werden durch ein Reservierungsprotokoll, vom Endgerät angestoßen, im Netzwerk automatisch konfiguriert. Dazu muss das Endgerät beziehungsweise die Netzwerkkomponente die zu übertragenden Daten mit vorgegebenen Parametern beschreiben . Ethernet is used in industrial communication for the transmission of time-critical and non-time-critical data. So far, the data are prioritized differently. In a communication according to the PROFINET standard, information from the telegrams is used to select a special queue with separate memory and preferred forwarding. This principle relies on a special mechanism that does not exist in the Ethernet standard. In IEEE, AVB (Audio / Video Bridging) and the successor TSN (Time Sensitive Networking) have expanded the scope of existing Ethernet mechanisms. For time-critical data, a separate queue with a controlled preferred forwarding has been introduced. The extended mechanisms are automatically configured in the network by means of a reservation protocol triggered by the terminal. For this purpose, the terminal or the network component must describe the data to be transmitted with predetermined parameters.
Durch die gezielte Identifikation von Echtzeitdaten und die spezielle Weiterleitung wird die für industrielle Kommunikation benötigte Latenzgarantie erreicht und der Verlust von Paketen im Fall einer temporären Überlast im Netzwerk verhindert . Targeted identification of real-time data and dedicated forwarding provide the latency guarantee needed for industrial communications and the loss of Prevents packets in the event of a temporary network overload.
Durch die Erweiterung von Ethernet können nun andere Anwen- düngen ebenfalls die spezielle Weiterleitung verwenden. Durch das Reservierungsprotokoll wird ausgeschlossen, dass eine technisch bedingte maximale Bandbreite für die spezielle Weiterleitung nicht überschritten wird. Bei zu hoher Auslastung werden neue Verbindungen vom Netzwerk abgelehnt und die Wei- terleitung unterbunden. Für verschiedene Latenzanforderungen gibt es bei AVB bisher unterschiedliche Klassen (typisch zwei Klassen - eine für Audio und eine für Videodaten) . Jede Klasse benötigt eine eigene Queue in der Hardware mit getrennten Ressourcen . Due to the extension of Ethernet, other applications can now also use the special forwarding. The reservation protocol excludes that a technical maximum bandwidth for the specific forwarding is not exceeded. If the load is too high, new connections are rejected by the network and the forwarding is prevented. For different latency requirements there are so far different classes with AVB (typically two classes - one for audio and one for video data). Each class requires its own queue in the hardware with separate resources.
Bei industrieller Kommunikation gibt es sehr verschiedene Anwendungszyklen. Um eine automatische Konfiguration im Netzwerk durch das Reservierungsprotokoll zu ermöglichen, muss die Datenmenge in der durch die Klasse vorgegebenen Sendepe- riode definiert werden. Die Sendeperiode hat einen direkten Einfluss auf die garantierte Latenz und die benötigten Ressourcen. Je größer die Sendeperiode wird, desto größer wird die Latenz im Netzwerk und umso mehr Ressourcen müssen in jeder Bridge vorreserviert werden. In industrial communication, there are very different application cycles. To enable automatic configuration in the network through the reservation protocol, the amount of data must be defined in the transmission period specified by the class. The sending period has a direct influence on the guaranteed latency and the required resources. The larger the transmission period, the greater the latency in the network and the more resources must be pre-reserved in each bridge.
Bislang wird davon ausgegangen, dass die Netzwerkressourcen exklusiv für eine industrielle Anwendung bereitstehen. Andere Anwendungen können die bevorzugte Weiterleitung nicht nutzen. Eine Reservierung erfolgt nicht. Wenn mehrere industrielle Anwendungen im Netzwerk aktiv sind, muss durch den Planer der Anwendungen eine Überlast im Netzwerk ausgeschlossen werden. Eine automatische Prüfung gibt es nicht. So far it is assumed that the network resources are available exclusively for an industrial application. Other applications can not use preferred forwarding. A reservation is not made. If multiple industrial applications are active on the network, the application scheduler must eliminate overload on the network. There is no automatic check.
Bei einer möglichen Umsetzung der bisherigen Lösung auf stan- dardisierte Mechanismen bleiben zwei Möglichkeiten: A possible implementation of the previous solution to standardized mechanisms leaves two options:
Zum einen kann eine Überreservierung durch eine zu kleine Klassen-Sendeperiode vorgesehen sein: Eine geringe Latenz kann nur durch eine kleine Klassen-Sendeperiode erreicht werden. Die maximale Latenz ergibt sich, wenn von allen Ports in der Sendeperiode die maximale Bandbreite am Anfang des Intervalls ankommt und über den gleichen Port weitergeleitet wer- den sollen. Durch die kleine Sendeperiode liegen weniger Daten in diesem Intervall. Die maximale Verzögerung ist geringer. Anwendungen mit einem größeren Anwendungszyklus müssen in der Beschreibung der Daten ebenfalls einen Frame in der Sendeperiode angeben. Dadurch ergeben sich eventuell eine deutlich größere Bandbreite bei der Beschreibung für die Reservierung und ein höherer Ressourcenbedarf . Durch die Überreservierung können weniger Verbindungen im Netzwerk akzeptiert werden, bevor die Ressourcen aufgebraucht sind. Zum anderen können eine größere Latenz und höherer Ressourcenverbrauch durch zu große Klassen-Sendeperiode vorgesehen sein: Eine Vergrößerung der Klassen-Sendeperiode ermöglicht es Anwendungen mit großem Anwendungszyklus die benötigte Bandbreite besser zu Beschreiben. Dadurch werden weniger Res- sourcen benötigt und es erfolgt keine Überreservierung. Durch die größere Klassen-Senderperiode können jedoch mehr Frames am Anfang der Periode ankommen. Diese werden bei AVB gleichmäßig über die Periode verteilt um eine Überlastung beim Empfänger (der nächsten Bridge oder das Empfangsgerät) zu ver- hindern. Durch das längere Intervall können mehr Daten am Anfang ankommen. Die garantierte Latenz ist somit deutlich größer. On the one hand, overbooking can be provided by a too small class transmission period: a low latency can only be achieved by a small class transmission period. The maximum latency results if the maximum bandwidth of all ports in the transmission period arrives at the beginning of the interval and should be forwarded via the same port. Due to the small transmission period, there are less data in this interval. The maximum delay is lower. Applications with a larger application cycle must also specify a frame in the transmission period in the description of the data. This may result in a much larger bandwidth in the description for the reservation and a higher resource requirements. Oversubscribing means fewer connections on the network can be accepted before the resources run out. On the other hand, a greater latency and higher resource consumption can be provided by too large a class transmission period: An increase in the class transmission period allows applications with a large application cycle to better describe the required bandwidth. As a result, fewer resources are needed and there is no overbooking. However, the larger class transmitter period allows more frames to arrive at the beginning of the period. These are distributed evenly over the period in AVB in order to prevent an overload at the receiver (the next bridge or the receiving device). The longer interval allows more data to arrive at the beginning. The guaranteed latency is thus significantly greater.
Beide Lösungen führen nicht zum gewünschten Effekt für in- dustrielle Anwendungen, einer möglichst optimalen Ressourcenverwendung bei niedriger Latenz . Both solutions do not produce the desired effect for industrial applications, for the best possible use of resources at low latency.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Zudem sollen ei- ne entsprechende Bridge sowie ein entsprechendes Netzwerksystem bereitgestellt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch eine Bridge sowie durch ein Netzwerksystem mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. It is an object of the invention to provide a method which does not have the disadvantages mentioned. In addition, a corresponding bridge and a corresponding network system are to be provided. This object is achieved by a method by a bridge and by a network system with the features according to the respective independent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Übertragen von Daten in einer industriellen Anwendung mit einer Mehrzahl von Netzwerkkomponenten. Hierbei werden die jeweiligen Daten mit- tels zumindest einer Bridge zwischen den Netzwerkkomponenten übertragen, wobei für die Übertragung der Daten zumindest zwei Queues vorgegeben werden. Dabei ist es vorgesehen, dass die zumindest zwei Queues für verschiedene vorbestimmte La- tenzklassen vorgegeben werden. Ferner wird von den jeweiligen Daten eine Latenzanforderung bestimmt und die jeweiligen Daten werden in Abhängigkeit von der bestimmten Latenzanforderung und in Abhängigkeit der vorbestimmten Latenzklassen einer der zumindest zwei Queues zugeordnet. Mithilfe des Verfahrens sollen Daten in einer industriellen Anwendung übertragen werden. Hierzu kann ein Netzwerksystem verwendet werden, welches die Mehrzahl von Netzwerkkomponenten aufweist. Die Netzwerkkomponenten können innerhalb des Netzwerksystems zu einem oder mehreren Netzwerken verbunden sein. Bei der industriellen Anwendung kann es sich um eineAn inventive method is used to transmit data in an industrial application with a plurality of network components. In this case, the respective data are transmitted by means of at least one bridge between the network components, wherein at least two queues are specified for the transmission of the data. In this case, it is provided that the at least two queues are predetermined for different predetermined latency classes. Furthermore, a latency request is determined by the respective data and the respective data are assigned to one of the at least two queues in dependence on the determined latency request and depending on the predetermined latency classes. The process is intended to transfer data in an industrial application. For this purpose, a network system can be used which has the plurality of network components. The network components may be connected within the network system to one or more networks. In industrial application may be a
Industrie- und/oder Fertigungsanlage handeln. Die industrielle Anwendung kann auch zur Überwachung eines industriellen Prozesses und/oder zur Prozessautomatisierung dienen. Die jeweiligen Netzwerkkomponenten können einzelnen Komponenten der industriellen Anwendung zugeordnet sein. Bei den Komponenten kann es sich um Maschinen, Aktoren, Sensoren oder dergleichen handeln. Zur Übertragung von Daten zwischen den einzelnen Netzwerkkomponenten wird die Bridge (deutsch: Brücke) verwendet. Die Bridge, welche auch als Switch bezeichnet werden kann, verbindet in dem Netzwerksystem die Netzwerkkomponenten auf der Ebene einer Schicht. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Netzwerksystem mehrere Bridges aufweist. Innerhalb der zumindest eine Bridge werden zumindest zwei Queues vorge- ben, auf die die Daten zum Übertragen aufgeteilt werden. Eine Queue, welche auch als Warteschlange bezeichnet werden kann, ist eine Datenstruktur. Diese dient zur Zwischenspeicherung von den Daten in einer Reihenfolge, bevor diese weiterverar- beitet beziehungsweise an eine der Netzwerkkomponenten übertragen werden. Die jeweiligen Daten, die übertragen werden sollen, weisen jeweilige Latenzanforderungen beziehungsweise Latenzzeiten auf. Für die jeweiligen Queues sind Latenzklas- sen vorgegeben. Jeder Latenzklasse kann ein Intervall von La- tenzzeiten zugeordnet sein. Industrial and / or manufacturing plant act. The industrial application can also serve to monitor an industrial process and / or process automation. The respective network components may be assigned to individual components of the industrial application. The components may be machines, actuators, sensors or the like. To transfer data between the individual network components, the bridge (German: bridge) is used. The bridge, which may also be referred to as a switch, connects the network components at the level of a layer in the network system. It can also be provided that the network system has several bridges. Within the at least one bridge at least two cues are provided to which the data is divided for transmission. A queue, which can also be called a queue, is a data structure. This serves to temporarily store the data in an order before they are processed further or transmitted to one of the network components. The particular data to be transmitted has respective latency requirements and latencies, respectively. Latency classes are specified for the respective queues. Each latency class can be assigned an interval of latencies.
Das vorgeschlagene Verfahren verwendet den durch ATS The proposed method uses the one by ATS
(Asynchronous Traffic Shaping) eingeführten Mechanismus, um industrielle Anwendungen mit unterschiedlichen Anwendungszyk- len besser zu übertragen. ATS, welches beispielsweise in dem Standard IEEE 802.1 beschrieben ist, verwendet sogenannte Sub-Klassen, basierend auf einer feineren Identifikation von unterschiedlichen Verbindungen. Der ATS Shaper ist eigentlich für den Einsatz im Automobilbereich vorgesehen, wo jede Ver- bindung identifiziert und eine periodische Übertragung sichergestellt wird. Alle Verbindungen teilen sich dabei eine oder mehrere Queues . Die Anzahl der benötigten Queues kann durch die Planung des gesamten Netzwerksystems mit allen Teilnehmern während der Auslegung des Netzwerkes berechnet werden. Eine dynamische Verwendung wie sie von Ethernet bekannt ist, wird bisher nicht unterstützt. (Asynchronous Traffic Shaping) to better transfer industrial applications with different application cycles. ATS, which is described for example in the standard IEEE 802.1, uses so-called sub-classes, based on a finer identification of different connections. The ATS Shaper is actually intended for use in the automotive sector, where each connection is identified and a periodic transmission ensured. All connections share one or more queues. The number of queues required can be calculated by planning the entire network system with all subscribers during network design. Dynamic use as known from Ethernet is not supported yet.
Das gleiche Prinzip soll nun für die unterschiedlichen La- tenzklassen in industriellen Anwendungen verwendet werden. Jede Bridge verfügt dabei intern über eine oder mehrere The same principle is now to be used for the different latency classes in industrial applications. Each bridge has one or more internally
Queues, auf welche die Verbindungen mit unterschiedlichen La- tenzklassen aufgeteilt werden. Ähnliche Latenzanforderungen können so in eine Queue abgelegt werden. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht in der dynamischen Einordung pro Bridge. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Unterstützung mehreren Anwendungszyklen . Durch die Unterstützung mehrerer Anwendungszyklen werden weniger Ressourcen in den Netzwerkkomponenten benötigt und eine niedrigere Latenz wird möglich. Queues to which the connections with different latency classes are divided. Similar latency requirements can be stored in a queue. An advantage of the proposed method is the dynamic arrangement per bridge. Another advantage of the proposed method is the support of multiple application cycles. Support for multiple application cycles becomes less Resources in the network components are needed and lower latency becomes possible.
Bevorzugt werden die Daten mittels eines asynchronen Traffic Shapings übertragen. Das Traffic-Shaping (auch Verkehrsformung) bezeichnet eine Art der Warteschlangenverwaltung in Datennetzen beziehungsweise Netzwerken, bei der Daten beziehungsweise Datenpakete nach bestimmten Kriterien verzögert oder verworfen werden, um bestimmten Anforderungsprofilen zu genügen. Wie bereits erläutert, wird hier das aus dem ATSThe data is preferably transmitted by means of asynchronous traffic shaping. Traffic shaping (also known as traffic shaping) refers to a type of queue management in data networks or networks in which data or data packets are delayed or discarded according to specific criteria in order to meet certain requirement profiles. As already explained, this is the one from the ATS
(Asynchronous Traffic Shaping) bekannte Verfahren für die industrielle Anwendung erweitert. Das ATS ist beispielsweise in dem Standard IEEE 802.1Qcr beschrieben. Ein neues Konzept der dynamischen Verwendung von Queues in Kombination mit ATS nutzt der Erweiterung von ATS in Kombination mit den unterschiedlichen Anwendungszyklen der industriellen Kommunikation. Durch die andere Verwendung von ATS - angepasst an die Anforderungen der industriellen Kommunikation (speziell die Prozessautomatisierung mit langsameren Anwendungszyklen) kön- nen im Netzwerk Ressourcen eingespart werden. Es können mehr Verbindungen im Netzwerk ermöglicht werden (leistungsfähigeres Gesamtsystem) während gleichzeitig dafür einfachere Netzwerkkomponenten (günstigerer Gesamtpreis) ausreichen sind. In einer Ausführungsform wird für die jeweilige Übertragung der Daten ein individueller frühester Sendezeitpunkt festgelegt. Innerhalb einer Queue können sich die Pakete nicht überholen - es wird jedoch pro Verbindung für die jeweiligen Daten beziehungsweise jeden Frame in der Queue ein individu- eller früheste Sendezeitpunkt festgelegt. Dadurch wird das Sendemuster der Daten im Netzwerk aufrechterhalten. Dieser Mechanismus ist in Hardware deutlich einfacher zu realisieren als eine eigene Queue pro Verbindung. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass(Asynchronous Traffic Shaping) known methods for industrial application expanded. The ATS is described, for example, in the IEEE 802.1Qcr standard. A new concept of the dynamic use of queues in combination with ATS uses the extension of ATS in combination with the different application cycles of industrial communication. By using ATS differently - adapted to the requirements of industrial communication (especially process automation with slower application cycles), resources can be saved on the network. It can enable more connections in the network (more efficient overall system) while at the same time simpler network components (cheaper total price) are sufficient. In one embodiment, an individual earliest transmission time is specified for the respective transmission of the data. Within a queue, the packets can not be overtaken - however, an individual earliest transmission time is specified per connection for the respective data or every frame in the queue. This maintains the transmit pattern of the data in the network. This mechanism is much easier to implement in hardware than a separate queue per connection. In a further embodiment, it is provided that
Sub-Prioritäten für die zumindest zwei Queues vorgegeben werden. Innerhalb der zumindest einen Bridge können für die jeweiligen Queues beziehungsweise deren Latenzklasse jeweils eine Sub-Priorität vorgegeben sein. In dem Design des Netzwerksystems kann eine statische Zuordnung der jeweiligen La- tenzklassen beziehungsweise der Intervalle von Latenzzeiten zu den Sub-Prioritäten vorgegeben sein. Somit können die Da- ten auf einfache und zuverlässige Weise auf die jeweiligen Queues aufgeteilt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bridge ihre eigene Zuordnung der Daten auf die Queues definiert. Für die Zuordnung der Daten kann insbesondere ein Qci (Quality Class Identifier) verwendet werden. Sub-priorities for which at least two queues are specified. Within the at least one bridge can respectively for the respective queues or their latency class be given a sub-priority. In the design of the network system, a static assignment of the respective latency classes or the intervals of latencies to the sub-priorities can be predetermined. Thus, the data can be easily and reliably distributed to the respective queues. It can also be provided that the bridge defines its own assignment of the data to the queues. In particular, a Qci (Quality Class Identifier) can be used for the assignment of the data.
In einer weiteren Ausgestaltung werden mittels der zumindest einen Bridge für die zumindest zwei Queues jeweilige Bandbreiten für die Übertragung der Daten vorgegeben. Für die jeweiligen Latenzanforderungen der Daten können in den jeweili- gen Queues vorbestimmte Bandbreiten beziehungsweise Datenraten vorgegeben werden. Somit kann eine Übertragung der Daten innerhalb der geforderten Latenzzeit sichergestellt werden. In a further embodiment, respective bandwidths for the transmission of the data are predetermined by means of the at least one bridge for the at least two queues. For the respective latency requirements of the data, predetermined bandwidths or data rates can be specified in the respective queues. Thus, a transmission of the data can be ensured within the required latency.
Eine erfindungsgemäße Bridge für ein Netzwerksystem einer in- dustriellen Anwendung ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der vorteilhaften Ausgestaltungen davon ausgelegt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass zum Bereitstellen der Bridge beziehungsweise des Switches eine Standard-Hardware verwendet wird. Durch die Verwendung von Standard Hardware sind die Entwicklungskosten für das System geringer . A bridge according to the invention for a network system of an industrial application is designed for carrying out a method according to the invention and the advantageous refinements thereof. It is provided in particular that a standard hardware is used to provide the bridge or the switch. By using standard hardware, the development cost of the system is lower.
Ein erfindungsgemäßes Netzwerksystem für eine industrielle Anwendung umfasst eine erfindungsgemäße Bridge. Zudem umfasst das Netzwerksystem eine Mehrzahl von Netzwerkkomponenten. Die Netzwerkkomponenten können ein oder mehrere Netzwerkte bilden. Die Dynamische lokale Einordung der Verbindungen in die vorhandenen Queues ermöglicht es einfache Netzwerkkomponenten für einfache Netzwerke mit leistungsfähigeren Netzwerkkompo- nenten in einem Netzwerk zu kombinieren. Kostengünstige Komponenten können in der Feldebene mit leistungsfähigen, teureren Komponenten im Backbone Netzwerk kombiniert werden, ohne dass die Anwendung die Details jeder Netzwerkkomponente ken- nen muss . Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Netzwerkkomponenten zeitlich synchronisiert betrieben werden . Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Netzwerksystem gemäß dem Ethernet-Standard ausgebildet ist. Die Integration in den Ethernet-Standard stellt die Weiterentwicklung und Kompatibilität sicher. Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt mitA network system according to the invention for an industrial application comprises a bridge according to the invention. In addition, the network system includes a plurality of network components. The network components can form one or more networks. Dynamic local ordering of connections into existing queues allows simple network components for simple networks to be combined with more powerful network components in a network. Cost-effective components can be combined at the field level with more powerful, more expensive components in the backbone network without the application having to know the details of each network component. must. Furthermore, it is preferably provided that the respective network components are operated synchronized in time. Furthermore, it is advantageous if the network system is designed according to the Ethernet standard. Integration into the Ethernet standard ensures further development and compatibility. The invention also includes a computer program product
Programmcodemitteln, welche in einem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um das erfindungsgemäße Verfahren und die vorteilhaften Ausgestaltungen davon durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Prozessor einer Bridge ab- gearbeitet wird. Program code means stored in a computer-readable medium for carrying out the method according to the invention and the advantageous embodiments thereof when the computer program product is processed on a processor of a bridge.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, in dem Programmcodemittel gespeichert sind, um das erfindungsgemäße Verfahren und die vorteilhaften Ausge- staltungen davon durchzuführen, wenn die Programmcodemittel in einen Speicher einer Bridge geladen und auf einem Prozessor der Bridge abgearbeitet werden. A further aspect of the invention relates to a computer-readable medium in which program code means are stored in order to carry out the method according to the invention and the advantageous embodiments thereof when the program code means are loaded into a memory of a bridge and executed on a processor of the bridge.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestell- ten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Bridge, für das erfindungsgemäße Netzwerksystem, für das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt sowie für das erfindungsgemäße computerlesbare Medium. The preferred embodiments presented with reference to the method according to the invention and their advantages apply correspondingly to the bridge according to the invention, to the network system according to the invention, to the computer program product according to the invention and to the computer-readable medium according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genann- ten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale undFurther features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone, and
Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbei- spielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Feature combinations can be used not only in the specified combination, but also in other combinations, without departing from the scope of the invention. The invention will now be described with reference to preferred exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Netzwerksystems 1. Das Netzwerksystem 1 dient dem Einsatz in einer industriellen Anwendung. Beispielsweise kann das Netzwerksystem 1 zur Prozessautomatisierung verwendet werden. Das Netzwerksystem 1 umfasst eine Mehrzahl von Netzwerkkomponenten 2. Zwischen den einzelnen Netzwerkkomponenten 2 können Daten beziehungsweise Datenpakete übertragen werden. The single figure shows a schematic representation of a network system 1. The network system 1 is intended for use in an industrial application. For example, the network system 1 can be used for process automation. The network system 1 comprises a plurality of network components 2. Data or data packets can be transmitted between the individual network components 2.
Darüber hinaus umfasst das Netzwerksystem 1 eine Bridge 3 , welche zur Übertragung der Daten zwischen den einzelnen Netzwerkkomponenten 2 dient. Innerhalb der Bridge 3 sind mehrere Queues 4 beziehungsweise Warteschalgen vorgesehen, auf welche die zu übertragenden Daten beziehungsweise Datenpakete aufgeteilt werden. Den jeweiligen Queues sind Latenzklassen bezie- hungsweise Latenzzeiten zugeordnet. Die zu übertragenden Daten weisen Latenzanforderungen auf. In Abhängigkeit von diesen Latenzanforderungen können die Daten dann einer der In addition, the network system 1 comprises a bridge 3, which serves to transmit the data between the individual network components 2. Within the bridge 3, several queues 4 or queues are provided, to which the data or data packets to be transmitted are divided. The respective queues are assigned latent classes or latencies. The data to be transferred has latency requirements. Depending on these latency requirements, the data may then be one of
Queues 4 zugeordnet werden. Für die Übertragung der Daten wird das sogenannte ATS (Asynchronous Traffic Shaping) gemäß dem Standard IEEE 802.1 für die industrielle Anwendung erweitert . Queues 4 are assigned. For the transmission of the data the so-called ATS (Asynchronous Traffic Shaping) according to the standard IEEE 802.1 for the industrial application is extended.
Es kann vorgesehen sein, dass Sub-Prioritäten für die jeweiligen Queues 4 definiert werden. Hierzu können die Latenzzei- ten oder Intervalle für die jeweiligen Sub-Prioritäten definiert werden. In einem Beispiel kann durch ein Netzwerkdesign eine statische Abbildung (Mapping) der Intervalle auf SubPrioritäten erfolgen. Zum Beispiel können zwei SubPrioritäten vorgesehen sein, welchen ein erstes Intervall Ii = 125 .s und ein zweites Intervall 12 = 500 zugeordnet werden. Gemäß einem weiteren Beispiel können vier SubPrioritäten vorgesehen sein, welchen ein erstes Intervall Ii = 125 us, ein zweites Intervall 12 = 250 μβ, ein drittes In- tervall 13 = 1 ms und ein viertes Intervall 14 = 16 ms zugeordnet werden. It can be provided that sub-priorities for the respective queues 4 are defined. For this, the latency times or intervals for the respective sub-priorities can be defined. In one example, a network design can be used to statically map (mappings) the intervals to sub-priorities. For example, two sub-priorities may be provided, to which a first interval Ii = 125 s and a second interval 12 = 500 are assigned. According to another example, four sub-priorities may be provided which have a first interval Ii = 125 μs, a second interval 12 = 250 μβ, a third interval tervall 13 = 1 ms and a fourth interval 14 = 16 ms.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bridge 3 ihr eigenes Mapping definiert. Hierzu kann von einer Latenzzeit Tspec ausgegangen werden, welcher eine Zeitdauer von TI = 250 zugeordnet ist. Ausgehend hiervon kann dann eine Zuordnung auf verschiede Intervalle erfolgen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Zuordnung einen sogenannten Qci (Quality Class Identifier) verwendet. Einem ersten Intervall kann eine Zeitdauer TI(Il) = 125 is zugeordnet sein. In diesem Fall wird für eine niedrige Latenz beziehungsweise Latenzanforderung die doppelte Bandbreite reserviert. Einem zweiten Intervall kann eine Zeitdauer von TI(I2) = 250 is zugeordnet sein. Hierbei erfolgt keine Bandbreiten-Überreservierung. Einem dritten Intervall kann eine Zeitdauer von TI(I3) = 1 ms zugeordnet sein. Bei dieser höheren Latenz erfolgt keine Bandbreiten-Überreservierung . Auf diese Weise kann eine dynamische Zuordnung der Daten in der Bridge 3 erfolgen. Innerhalb der industriellen Anwendung können in dem Netzwerksystem 1 einfach Netzwerkkomponenten 2 mit leistungsfähigeren Netzwerkkomponenten 2 kombiniert werden. Insbesondere wird es ermöglicht, dass bei der Übertra- gung der Daten zwischen den Netzwerkkomponenten 2 die erforderlichen Latenzzeiten eingehalten werden. Durch die Unterstützung von mehreren Anwendungszyklen werden in den einzelnen Netzwerkkomponenten 2 weniger Ressourcen benötigt, wodurch insgesamt eine geringere Latenz erreicht werden kann. Insbesondere ist das Netzwerksystem 1 gemäß dem Ethernet-It can also be provided that the bridge 3 defines its own mapping. For this purpose, a latency Tspec can be assumed, which is assigned a time duration of TI = 250. Based on this, an assignment to different intervals can then take place. It is provided in particular that the assignment uses a so-called Qci (Quality Class Identifier). A first interval may be assigned a time period TI (Il) = 125 is. In this case, twice the bandwidth is reserved for a low latency request. A second interval may be assigned a time duration of TI (I2) = 250 is. There is no bandwidth overbooking. A third interval may be assigned a time duration of TI (I3) = 1 ms. At this higher latency there is no bandwidth over-reservation. In this way, a dynamic assignment of the data in the bridge 3 can take place. Within the industrial application, network components 1 may simply be combined with more powerful network components 2 in the network system 1. In particular, it is made possible that the required latencies are maintained during the transmission of the data between the network components 2. Supporting multiple application cycles requires fewer resources in each network component 2, resulting in lower overall latency. In particular, the network system 1 according to the Ethernet
Standard ausgebildet. Somit wird es ermöglicht, dass für die einzelnen Komponenten in dem Netzwerksystem 1 Standard- Hardware verwendet wird. Insgesamt wurde ein neues Konzept der dynamischen Verwendung von Queues in Kombination mit ATS gezeigt, welches die Erweiterung von ATS in Kombination mit den unterschiedlichen Anwendungszyklen der industriellen Kommunikation nutzt. Bezugs zeichenl iste Standard trained. Thus, it is possible for the individual components in the network system 1 standard hardware is used. Overall, a new concept of the dynamic use of queues in combination with ATS has been demonstrated, exploiting the addition of ATS in combination with the different application cycles of industrial communication. Reference sign
NetzwerksystemNetwork system
NetzwerkkomponentNetzwerkkomponent
Bridge bridge
Queue  queue

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Übertragen von Daten in einer industriellen Anwendung mit einer Mehrzahl von Netzwerkkomponenten (2), bei welchem die jeweiligen Daten mittels zumindest einer Bridge (3) zwischen den Netzwerkkomponenten (2) übertragen werden, wobei für die Übertragung der Daten zumindest zwei Queues (4) vorgegeben werden, A method for transmitting data in an industrial application with a plurality of network components (2), in which the respective data is transmitted by means of at least one bridge (3) between the network components (2), wherein at least two queues for the transmission of the data (4) be given
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die zumindest zwei Queues (4) für verschiedene vorbestimmtethe at least two queues (4) for different predetermined
Latenzklassen vorgegeben werden, von den jeweiligen Daten eine Latenzanforderung bestimmt wird und die jeweiligen Daten in Abhängigkeit von der bestimmten Latenzanforderung und in Abhängigkeit den vorbestimmten Latenzklassen einer der zumin- dest zwei Queues (4) zugeordnet werden. Latency classes are given, from the respective data, a latency request is determined and the respective data depending on the specific latency requirement and depending on the predetermined latency classes of at least two queues (4) are assigned.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Daten mittels eines asynchronen Traffic Shapings übertra- gen werden. the data is transferred using asynchronous traffic shaping.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. The method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
für die jeweilige Übertragung der Daten ein individueller frühester Sendezeitpunkt festgelegt wird. an individual earliest transmission time is specified for the respective transmission of the data.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
Sub-Prioritäten für die zumindest zwei Queues (4) vorgegeben werden.  Sub-priorities for the at least two queues (4) are given.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
mittels der zumindest einen Bridge (3) für die zumindest zwei Queues (4) jeweilige Bandbreiten für die Übertragung der Daten vorgegeben werden. by means of the at least one bridge (3) for the at least two cues (4) respective bandwidths for the transmission of data are given.
6. Bridge (3) für ein Netzwerksystem (1) einer industriellen Anwendung, welche zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist. 6. Bridge (3) for a network system (1) of an industrial application, which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
7. Netzwerksystem (1) für eine industrielle Anwendung mit einer Bridge (3) nach Anspruch 6 und mit einer Mehrzahl von Netzwerkkomponenten (2) . 7. Network system (1) for an industrial application with a bridge (3) according to claim 6 and with a plurality of network components (2).
8. Netzwerksystem (1) nach Anspruch 7, 8. Network system (1) according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Netzwerksystem (1) gemäß dem Ethernet-Standard ausgebildet ist. the network system (1) is designed according to the Ethernet standard.
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