WO2020224823A1 - Computerimplementiertes verfahren zur umstrukturierung eines vor-gegebenen verteilten echtzeit-simulationsnetzwerks - Google Patents

Computerimplementiertes verfahren zur umstrukturierung eines vor-gegebenen verteilten echtzeit-simulationsnetzwerks Download PDF

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WO2020224823A1
WO2020224823A1 PCT/EP2020/055414 EP2020055414W WO2020224823A1 WO 2020224823 A1 WO2020224823 A1 WO 2020224823A1 EP 2020055414 W EP2020055414 W EP 2020055414W WO 2020224823 A1 WO2020224823 A1 WO 2020224823A1
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simulation
data
node
network nodes
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PCT/EP2020/055414
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Heiko Kalte
Dominik Lubeley
Original Assignee
Dspace Digital Signal Processing And Control Engineering Gmbh
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/14—Network analysis or design
    • H04L41/145—Network analysis or design involving simulating, designing, planning or modelling of a network
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
    • H04L43/50—Testing arrangements

Definitions

  • the invention relates to a computer-implemented method for restructuring a given distributed real-time simulation network, the simulation network having several network nodes and several data connections, each network node having at least one data connection interface for connecting a data connection, the network nodes being at least partially in communication via the data connections stand, and a simulation application is executed on at least one network node during operation of the simulation network.
  • the invention relates to the field of control device development, in particular the development of control devices as they are used in large numbers in the automotive sector, but also in the aerospace industry and for controlling other technical processes.
  • the development of control devices is a central component of the technical development of extensive technical systems, as they are known from industrial practice, for example and primarily from the technical areas mentioned above.
  • the test of a series control device used in the end product is the end point of a plurality of upstream development steps of a control device application to be implemented on the control device (often a regulation or control), these development steps usually using the so-called V-model or V- Cycle to be described.
  • the distributed real-time simulation networks mentioned at the beginning are required for this.
  • At the beginning of the application development which is essential for the functioning of many technical systems, there is the mathematical modeling of, for example, a control algorithm on a computer with a mathematical-graphic modeling environment, the controller being understood as a component of the control unit.
  • the environment of the control unit is mathematically modeled, since the interaction of the controller on the control unit with the process to be controlled is of interest. With this functional mathematical A simulation in real time is usually not necessary (offline simulation).
  • the previously designed control algorithm is transferred with the help of rapid control prototyping (RCP) to high-performance, mostly real-time hardware that is connected to the actual physical process via suitable I / O interfaces, e.g. a motor vehicle -Engine.
  • RCP rapid control prototyping
  • This real-time-capable hardware usually has nothing to do with the series control unit that will be used later, it is about proving the basic functionality of the previously designed control in practice.
  • the control is implemented on the target processor that will probably actually be used later in the series control unit.
  • the target hardware approaches the series control unit, but is not identical to the series control unit.
  • the series control unit which is usually only available at a late stage of development, is checked as part of a hardware-in-the-loop test (HIL).
  • HIL hardware-in-the-loop test
  • the series control unit physically available in this step is connected to a powerful simulator by means of a physical control unit interface. The simulator simulates the required variables of the series control unit to be tested and exchanges input and output variables with the series control unit.
  • the series control unit tested in this way as part of the HIL simulation is ultimately installed in the "real" target system, for example in a motor vehicle, and tested in the real physical environment that was previously only simulated in the simulation environment.
  • the network nodes can, for example, be computing nodes, that is, small computers with a real-time operating system. It can also be I / O nodes with which, for example, measurement data from a physical process are recorded using measurement technology, and which then pass on digitized values in the form of data packets to the simulation network, or which also output analog control signals in order to be sent to a physical process, both for example by controlling an actuator.
  • the network nodes also include communication nodes which are often connected to at least two other nodes and which are used less for signal generation or processing, but for signal conversion (e.g. conversion of data to a specific protocol) or serialization of parallel data streams serve (router) etc.
  • the network nodes have at least one data connection interface via which they are physically connected to at least one other network node by means of a data connection.
  • the network nodes are at least partially in communication via the data connection, wherein a communication connection, if it runs over several network nodes, can comprise several data connections. Not every node has to exchange data with every other node, even if this would be physically possible due to the physical design of the simulation network.
  • the network nodes - for simplicity also just nodes - of a distributed real-time simulation network are often not separated from one another over great distances, but can for example even be accommodated in a common housing of a simulator.
  • distributed here means that the network nodes exchange information via a data connection and, as a rule, cannot do this by accessing a shared memory. Since the real-time simulation network is usually connected to a real physical process, real-time capability is an important property. If, for the sake of simplicity, only a simulation network is mentioned in the following, a real-time simulation network is always meant.
  • a simulation application is executed on at least one network node. This will usually take place on a computing node, using a real-time operating system, so that a control-technical scanning system can be implemented. Digital scanning systems require that calculations can be carried out reliably and thus also completed in a certain fixed time grid. For example, with highly dynamic controls it may be necessary to carry out a complete calculation step of the simulation application or a task - i.e. a partial functionality - of the simulation application in a microsecond.
  • corresponding measurement data from I / O network nodes must be transferred to the network node executing the simulation application in a microsecond grid via the data connections of the simulation network, and must accordingly Then, in this time pattern, corresponding manipulated variables are also calculated by the network node executing the simulation application and forwarded to an I / O network node. It is possible that a simulation application that is executed on a network node has various tasks that have to be executed in different calculation steps.
  • a simulation application is understood here to mean an algorithm that is executed on a network node. It may well be that an overall control task is distributed over several network nodes for calculation, so that each of these several computing network nodes executes a simulation application, the different simulation applications then making up the overall functionality to be achieved.
  • the control unit to be tested is simulated by the real-time simulation network, the simulation network then being connected to the process to be actually controlled, namely via the I / O network nodes.
  • the real-time simulation network is used to simulate the environment of a practically fully developed series control unit, the real-time simulation network then in turn being physically connected to the series control unit via I / O computing nodes.
  • the real-time simulation network is connected to a real technical-physical process via I / O interfaces of certain network nodes and has an effect on this technical-physical process during operation.
  • the object of the present invention is therefore to provide a systematic and computer-implementable method for restructuring a real-time simulation network for control device development, with which a structure for the real-time simulation network can be found in which critical communication links are reduced and avoided as far as possible.
  • the method according to the invention in which the previously derived and shown object is achieved, is initially characterized in that the topology of the simulation network is recorded so that topology information is available about the network nodes and the data connections between the network nodes.
  • This procedural step is used to precisely record the topology of the given real-time simulation network.
  • Expectation values for node data rates and / or node latencies are then determined for the network nodes of the simulation network. Expected values for the data transmission rates are also determined for the data connections. These different expected values are assumptions with regard to the node data rates, node latencies and / or data transmission rates that may arise on data connections. Furthermore, the communication connections between the network nodes of the simulation network are determined. The process steps mentioned above can be carried out in different order.
  • Expected values for communication connection data rates and / or communication connection latencies are now determined for the communication connections determined on the basis of the expected values for the node data rates and / or the node rates and / or the data transmission rates of the network nodes and data connections involved in the communication connection. Since the communication link Applications within the simulation network represent the actually used data transmission paths between network nodes, via which communication takes place, the communication connection data rates and communication connection latencies are the variables of interest within the simulation network.
  • limit values for the communication connection data rates and / or for the communication connection latencies are determined for the communication connections.
  • Limit values for the data transmission rates are determined for the data connection. These limit values are values for the data rates or latencies of the communication connections and values for the data transmission rates on the data connections that are still regarded as acceptable.
  • the limit value for the data transmission rate can be, for example, the channel capacity, i.e. the maximum possible data transmission rate of the communication link or a section of the communication link, or a percentage of this if certain capacities are to be planned for security.
  • a limit value for the data transmission rates can, however, also result from a comparison of the expected values for the data transmission rates or from an average value formed therefrom, if it is required that the data transmission rates on different communication links should only differ from one another to a certain degree.
  • the exact method of determining the various expected values and the various limit values for the communication connection data rates, the communication connection latencies and the data transmission rates is not decisive; what is decisive is that the expected values and limit values first - like always in detail - be determined.
  • critical communication connections are determined by combining the determined expected values for the communication connection data rates and / or communication connection latencies and / or data transmission rates with the limit values for the communication connection data rates and / or for the communication connection latencies and / or are compared for the data transmission rates of the relevant communication links.
  • the comparison of expected values and the corresponding limit values on the various communication links thus results in an assessment of which communication links are to be assessed as critical.
  • the evaluation is carried out by a numerical algorithm, which can be defined very simply but also very complex. A The rule could be, for example, that an approximation of the expected value of the data transmission rate to the limit value of the data transmission rate beyond a certain proportion - for example above 80% - leads to an assessment of the communication link as critical.
  • the restructuring of the simulation network means, for example, that new data connections are set up between communicating network nodes, existing data connections are removed if necessary, that functionalities of network nodes are distributed differently, that simulation applications are relocated to other network nodes, or that simulation applications are split up and distributed to different network nodes network nodes in which many communication paths converge are relieved by implementing alternative communication paths through the simulation network, etc.
  • the previously described method for restructuring a given distributed real-time simulation network can also be carried out iteratively in order to gradually achieve better and more uniform utilization of the simulation network.
  • the restructuring can take place completely automatically, depending on the technical implementation of the simulation network. This can be implemented particularly easily, for example, if a fully meshed structure is provided as the starting point of the real-time simulation network, in which practically every network node is connected to every other network node via a data connection, at least insofar as this is technically sensible. For example, it may not make much sense to network I / O network nodes with one another with data connections. zen, whereas it can make sense to network all computing network nodes with one another. During the implementation of the method, data connections within the real-time simulation network can then be dropped, so that the simulation network is thinned out with regard to the data connections.
  • Such a restructuring can be irreversible, for example when using fuse or antifuse technology, as can be found in one-time programmable FPGAs (Field Programmable Gate Array).
  • the restructuring can also have a reversible character, for example if multiple programmable structures are used, such as, for example, multiple configurable FPGAs.
  • the restructuring can partly also be done manually, with the restructuring information resulting entirely from the automated assessment step.
  • the restructuring i.e. the removal of data connections, the relocation of simulation applications, the relocation of communication connections, etc. can then be done manually in some cases.
  • a restructuring step is specified by the method that after completion of the restructuring step, a data connection with a reduced number of communication network nodes (e.g. router) or a data connection with no communication network nodes is available.
  • a data transmission from the I / O network node to its corresponding computing network node for example, a reduced or no transmission latency, which can be assigned to one or more communication network nodes, can be determined.
  • the topology of the simulation network is obtained by calling up information services implemented on the nodes of the simulation network which, when called, return information about which nodes they are directly connected to, in particular which data connections they are used with Nodes are directly connected.
  • These information services can be very rudimentary and return corresponding connection information to the calling station. If it is known from each network node with which chem other network nodes it is directly connected, the topology of the real-time simulation network can easily be determined clearly. Alternatively, provision is made for the topology of the simulation network to be obtained by reading in a file with the topology information of the specified simulation network.
  • the critical communication links in the specified simulation network are reduced by at least partially expanding and / or reducing the network nodes functionally in the specified simulation network while maintaining the topology of the simulation network, and / or by the data connections are functionally expanded and / or functionally reduced, and / or in that communication connections between network nodes are routed differently.
  • the functional expansion or functional reduction of network nodes can be achieved, for example, by dividing simulation applications differently between network nodes.
  • Another possibility for reducing the functionality of a network node can be to reduce, for example, the data rate at which information is to be transmitted.
  • the resolution of values to be transmitted can also be reduced, for example, so that the result is that the bit length of the information to be transmitted is reduced.
  • Another possibility is, for example, lossless data compression, whereby it must be taken into account here that this may lead to a greater latency of a network node.
  • the functional expansion or reduction of data connections can be achieved by using other transmission media that have different channel capacities.
  • the reduction of critical communication connections in the given simulation network can alternatively or additionally be achieved by expanding the given simulation network at least partially by changing the simulation network by at least one additional network node and by at least one additional data connection and / or by at least one existing network node , and is reduced by at least one existing data connection.
  • a preferred development of the method is characterized in that the expected values for the data transmission rates of the data connections are obtained by adding up the data rates of the connected network nodes.
  • the data rates of the connected network nodes can be obtained in different ways, which will be explained below.
  • the expected values for the node data rates and / or the node latencies for the network nodes of the simulation network are determined on the basis of the hardware specification of the network nodes of the simulation network, in particular without taking into account the simulation applications of the respective network node, in particular without taking into account any hardware parameterizations of the relevant network node.
  • This variant of the determination of the expected values is therefore suitable for determining worst-case expected values for the node data rates and / or the node latencies for the network nodes of the simulation network by adding maximum values of the node data rates and / or the node latencies for the expected values for the node data rates and / or the node latencies are used. In any case, this leads to the knowledge as to whether the design of the real-time simulation network is functional or not even under conditions that are generally assumed to be very unfavorable.
  • mean values for actual node data rates and / or node latencies for the network nodes of the simulation network are determined from a plurality of known, functionally configured real-time simulation networks and that these mean values are used as expected values for the node data rates and / or the node latencies for the network nodes of the simulation network are selected.
  • no applicative On-specific information is used, that is, information that relates to the operation of the specifically specified real-time simulation network, but only the hardware information about the simulation network.
  • empirical values from other simulation networks that have the same network nodes are used. This assumes that appropriate information is available on properly configured real-time simulation networks.
  • these expected values are determined taking into account simulation applications of the respective network nodes, in particular taking into account any hardware parameterizations of the network nodes. To carry out this method, it is not necessary that the simulation applications are also executed; it is only important that there is knowledge of the relevant parameters of the simulation applications and / or of the hardware parameterizations.
  • the expected values for the node data rates and / or the node latencies for the network nodes are determined taking into account the computing step size of periodic tasks and / or assumed call rates and processing times of aperiodic tasks, the size of calculated and sent data packets in tasks, the configuration of I / O functions, in particular the call rate and the size of processed I / O data packets.
  • Periodic tasks are functions within simulation applications that are executed at a certain constant time interval, the calculation step-wide. This is necessary, for example, when numerical methods for solving equations - including differential equations - are carried out as part of such a periodic task.
  • Such a computing step size is typically in the range of milliseconds, but for demanding, very dynamic tasks the computing step size can nowadays also be in the range of microseconds.
  • aperiodic tasks are triggered by influences that are not in a predictable time frame, but are triggered, for example, by external influences.
  • such tasks - that is, functions within a simulation application - are linked to an interrupt and then, if necessary, executed - event-driven or aperiodic. Since it is not easy to predict how often such aperiodic tasks will be called, this embodiment of the method works with assumed call rates.
  • I / O network nodes usually do not carry out a freely programmable simulation application, but rather an I / O functionality determined by the capabilities of the flardware, for example an analog / digital conversion, which, however, is parameterized within certain limits can.
  • I / O network nodes can often be specified by parameterization at what rate they acquire and / or output data and with what numerical resolution this takes place, which has an impact on the size of the processed I / O data packets.
  • This second variation for determining expected values is fundamentally considerably more precise than working solely with Flardware specifications of network nodes and data connections. However, this does not take into account - and cannot be taken into account - possible delays that usually occur in real simulation networks. For example, collisions between data transmissions from different network nodes that use one and the same data connection can occur. This can mean that a data packet intended to be sent by a network node has to be sent again with a certain time delay, so that latencies arise that are not taken into account in a purely theoretical consideration, for example according to the second variant of determining expected values.
  • the expected values for the node data rates and / or for the node latencies for the network nodes and / or the expected values for the data transmission rates of the data connections of the simulation network are provided by measurement in the simulation network. determination network.
  • the expected values for the communication link data rates and / or the communication link latencies are determined by measurement during operation of the simulation network, for which purpose it is necessary to execute the simulation applications on the corresponding network node during the measurement.
  • Each sending network node sends the date it has sent, i.e. the data packet it has sent, with a dispatch time stamp.
  • the last receiving network node in the communication connection can then determine the expected value for the communication connection latency of the corresponding communication connection from the time of receipt of the received date or data packet and by evaluating the dispatch time stamp. Since this happens when the simulation applications are executed on the network node, additional time delays in real operation of the simulation network - for example due to collisions on the communication links - are also taken into account.
  • the expected values for the communication connection latencies can be measured by setting up a synchronous time for all network nodes of the simulation network, and by implementing an echo functionality in the network nodes of the simulation network. Such an echo functionality is also known per se under the term “ping” in the field of data transmission.
  • the expected values for the communication link latencies are then measured by the network node receiving during operation of the simulation network or the sending network node of a communication link sending an echo request to the network node corresponding to the sending network node during operation of the simulation network or the receiving network node of this communication link and the The network node sending the echo request determines the echo cycle time after receiving the echo signal and from this determines the expected value for the communication link latency.
  • This measurement can be carried out in particular when the simulation network is not being operated while the echo method is being carried out, that is to say the simulation applications are not being carried out on the network node.
  • the method is carried out on a computer that is connected to the simulation network via a data connection, or that the method is carried out on a network node of the simulation network designed as a computing node .
  • the object derived at the beginning is also achieved by a computer program product which comprises commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method according to the preceding description.
  • the derived object is achieved by a computer-readable storage medium which comprises commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute the method described above. If we are talking about a computer here, it can be - as already stated above - a computer that is connected to the simulation network via a data connection, or it can also be a network node of the Si designed as a computing node - act simulation network.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a FIIL simulator with which a real-time simulation network is implemented, with control devices being connected to the FIIL simulator,
  • FIG. 3 shows the simulation network from FIG. 2, which according to a first
  • Variant of the method for restructuring the simulation network is examined and restructured
  • FIG. 4 is a tabular representation of the first variant of the method for restructuring the simulation network according to FIG. 3
  • 5 shows the simulation network according to FIG. 2, which is examined and restructured according to a second variant of the method for restructuring the simulation network
  • Fig. 6 is a tabular representation of the second variant of the method for restructuring the simulation network according to FIG.
  • FIG. 7 shows the simulation network according to FIG. 2, which is examined and restructured according to a third variant of the method for restructuring the simulation network
  • FIG. 8 shows a tabular representation of the third variant of the method for restructuring the simulation network according to FIG. 7.
  • FIG. 1 and 2 show typical situations in the development of control devices, as they are known from the prior art.
  • a hardware-in-the-loop simulator 3 is shown, with which the pre-ne distributed real-time simulation network 2 is realized.
  • the network nodes 4 of the simulation network 2 are here, inter alia, as plug-in cards of the FIIL simulator 3.
  • the network nodes 4 are at least partially connected to one another via a plurality of data connections DV.
  • each network node 4 has at least one data connection interface which is used to connect a data connection DV.
  • the network nodes 4 are at least partially in communication link KV via the data links DV.
  • a communication connection is therefore a path within the simulation network 2 via which two network nodes actually exchange information.
  • a simulation application 5 is executed on at least one of the network nodes 4. In the exemplary embodiment shown, this is a technical-mathematical vehicle model.
  • the network nodes 4 have different functionalities. There are network nodes 4, which are designed as computing network nodes RK. They are small computers that run a real-time operating system. Other network nodes 4 implement communication network nodes R. They are used, for example, to serialize parallel ones Data streams. In turn, other network nodes 4 are designed as I / O network nodes IO. They can be used to record measurement data from an external physical process, or they can output signals to influence the external physical process. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the external physical process is provided by two control units 8. The control units 8 are connected to the simulation network 2 in terms of signals, which is only indicated in FIG. 1. When the simulation network 2 is in operation, the simulation network 2 interacts with the connected control devices 8. The control devices 8 are checked for their functionality here with the aid of the HIL simulator 3. The scatteredsbei game according to FIG. 1 is only an example, there are completely different equipment technical structures possible.
  • the various components of the simulation networks 2 shown are denoted by the generic abbreviation already mentioned above (e.g. DV, RK, R, IO, etc.) and with a subsequent number (e.g. DV1, RK2, R1, I03).
  • the designators for the various network nodes 4 of the simulation network 2 are used partly in the generic manner when the exact element of the simulation network 2 is not important. If a special element is meant, for example a special computing node in a simulation network shown, then computing node RK2 is, for example, and not just a computing node RK.
  • a simulation network 2 is shown somewhat more precisely in FIG. 2, although the representation is also only schematic.
  • the simulation network 2 has two computing network nodes RK1, RK2, two communication network nodes R1, R2 in the form of routers and five I / O network nodes 101, I02, I03, I04, I05.
  • the network nodes 4 are a total of several data connections DV, namely the data connections DV0, DV1, ..., DV8 verbun in a certain way with one another. Not every network node 4 is connected to every other network node 4, so there are only selected data connections DV between the network nodes 4.
  • the network nodes 4 communicate with one another via specific communication links KV, depending on the specific application being carried out with the simulation network 2, of which only two communication links KV1, KV2 are shown here for the sake of clarity.
  • the I / O network node 101 sends measurement data via the communication network node R1 to the computing network node RK1.
  • the I / O network node I04 sends measurement data via the communication network node R2 to the computing network node RK2.
  • Communication connections KV are therefore the communication connections that are actually formed between communicating network nodes 4, so they can use several data connections DV.
  • the structure of the simulation network 2 must be selected with great care so that the simulation network 2 does not reach its functional limits during operation. This can be the case, for example, when the data connections DV are acted upon by the network nodes 4 in total with such high data transmission rates that they reach their channel capacity. There can also be an overload when the delays in the transmission of data packets between network nodes 4, the so-called latencies, are greater than is desired and also necessary.
  • each S im u lationsnetztechnike 2 are shown, each having the same components, that is, the same network nodes 4 and the same data connections DV between the network nodes 4.
  • the computing network nodes RK1, RK2 are each provided to one Execute simulation application 5.
  • the simulation application 5 on the computing network nodes RK1, RK2 differ functionally from one another and together implement an overall application of the simulation network 2.
  • the topology of the simulation network 2 is recorded so that topology information 6 about the network nodes 4 and the data connections DV between the network nodes 4 are available. This is shown in the tables according to FIGS. 4, 6 and 8, the network nodes 4 each being completely recorded.
  • the information on which network nodes 4 are connected to which data connections DV are detailed here in the overview not shown for the sake of In any case, the tables include the computing network nodes RK1, RK2, the communication network nodes R1, R2 and the I / O network nodes 101,..., I05. All data connections DVO to DV8 are also recorded.
  • Expected values E-KDR for the node data rates and expected values E-KL for the node latencies are then determined for the network nodes RK, R, IO of the simulation network 2.
  • the node data rates are the data rates that the respective network nodes RK, R, IO generate, receive or transmit.
  • the node latencies are the time delays with which the network nodes RK, R, IO delay the sending, receiving and transmission of data packets.
  • expected values E-DVDR for the data transmission rates are determined for the data connections DV.
  • the expected values for the aforementioned variables are listed in the second, third and fourth columns of the tables shown.
  • the communication links KV between the network nodes of the S im u lationsnetztechniks are determined, that is, the data paths over which the various network nodes 4 communicate from end to end.
  • the communication links KV are each indicated in FIGS. 3, 5 and 7 by dashed lines.
  • the participating elements of the respective simulation network 2 are not listed again separately in the tables, but the communication connections KV as such are each listed in a column of the corresponding tables.
  • the communication links KV For the communication links KV, based on the expected values E-KDR for the node data rates and / or based on the expected values E-KL for the node latencies and / or for the expected values E-DVDR for the data transmission rates of the network nodes involved in the respective communication link KV 4 and data connections DV expected values for communication connection data rates E-KVDR and / or for communication connection latencies E-KVL determined. These expected values determined are listed in the respective columns for the communication links KV.
  • Limit values for the communication connection data rates G-KVDR and / or limit values for the communication connection latencies G-KVL are then determined for the communication links KV, and limit values for the data transmission rates G-DVDR are determined for the data connections DV.
  • These limit values can, for example, be specified by the engineer involved in the design of the simulation network. However, it can also be preset values from various act given design schemes. For example, relatively small limit values could be specified in a safe design scheme, while larger limit values are also acceptable in a design scheme with the most complete possible use of resources.
  • critical communication connections are then determined by adding the determined expected values for the communication connection data rates E-KVDR and / or for the communication connection latencies E-KVL and / or for the data transmission rates E-DVDR with the limit values for the communication link data rates G-KVDR and / or for the communication link latencies G-KVL and / or for the data transmission rates G-DVDR of the relevant communication link KV or the relevant or involved data link DV.
  • the limit values for the communication link data rates G-KVDR and for the communication link latencies G-KVL are also entered in the tables in the columns for the respective communication link KV.
  • the result of the evaluation step BS is symbolized in the tables either by a tick if the evaluation step has shown that the investigated communication link KV is not critical, so the limit values of the corresponding expected values are not exceeded, or by a lightning symbol if the investigated communication link KV has been found to be critical, that is, an expected value exceeds the corresponding limit value. If critical communication links KV have been recognized, the components of the simulation network 2 that are involved in the critical communication links can also be found, shown in the column in the respective tables which is overwritten with BS.
  • the three method variants shown also have in common that, in a restructuring step U, the specified simulation network 2 is restructured in such a way that critical communication links KV are reduced, ideally eliminated entirely.
  • Corresponding restructuring measures are noted in the tables in the column overwritten with U or in the columns overwritten with U1 and U2.
  • the method 1 shown in FIGS. 3 and 4 is characterized in that the expected values for the node data rates E-KDR and for the node latencies E-KL for the network nodes RK, R, IO of the simulation network 2 are determined based on the hardware specifications of the Network nodes RK, R, IO of the simulation network 2, especially without taking into account the simulation applications 5 of the computing network nodes RK1, RK2 and without considering other hardware parameterizations of the network nodes RK, R, IO.
  • the maximum values for the node data rates and the node latencies are used to determine the corresponding expected values.
  • the expected values for the data transmission rates E-DVDR of the data connections DV are obtained by adding up the data transmission rates of the connected network nodes.
  • the I / O network nodes 101, I02 and I03 converge in the communication network node R1.
  • all I / O network nodes 101, I02, I03 communicate via the communication network node R1 to the computing network node RK1.
  • the smallest channel capacity of the data connections involved is used as the limit value for the communication link data rate G-KVDR of the communication link KV2. Since all the data connections involved have a channel capacity of 1.2 Gbps, this is also the limit value for the communication connection data rate of the communication connection KV2.
  • the limit values for the data transmission rates G-DVDR of the data connections DV0 to DV8 are selected accordingly, ie they correspond to the respective channel capacities.
  • the expected value E-KVDR for the communication link data rates must not exceed the limit value G-KVDR for the communication link data rates. This condition is not met for the communication link KV2. Incidentally, it is also not fulfilled for other communication connections, which have been left out in the tabular listing for reasons of clarity.
  • the cause of the critical classification of the communication connection KV2 is the data connection DV1.
  • the restructuring step U1 to eliminate the critical communication link KV2 consists here in that the data link DV1 is functionally expanded by replacing it with a data link which has a channel capacity of 2.5 Gbps that is more than twice as large. The same applies to the data connection DV2, which is not discussed here in detail.
  • a second variant of the method 1 for restructuring U of a predetermined distributed real-time simulation network 2 is shown.
  • This second variant of the method 1 is characterized in that the expected values for the node data rates E-KDR and / or the node latencies E-KL for the network nodes RK, R, IO of the simulation network 2 are determined, taking into account the simulation applications 5 of the respective Network nodes and also taking into account maintenance of any hardware parameterization of the network nodes RK, R, IO. Taking this information into account enables a far more precise assessment of the various expected values, since there are now clues about the generation rates of data and thus about the data occurrence on the data links DV. At the same time, it is also known who is the sender and who is the recipient of data packets, so that the communication links KV can also be precisely determined.
  • the simulation network according to FIG. 5 is structurally identical to the simulation network according to FIG. 3, however, due to the different procedures, the data in the tabular overview according to FIG. 4 and the tabular overview according to FIG. 6 differ quite considerably. In some cases, other specifications have also been made so that the exemplary embodiments cannot be easily compared. The execution examples can be seen separately.
  • the topology information 6 is basically comparable to the game constitusbei discussed above. However, there are considerably fewer communication links KV, namely only six communication links KV1 to KV6 in total. In the tabular overview, the communication connection KV4 is not shown for reasons of space.
  • the expected values for the node data rates E-KDR and / or for the node latencies E-KL are determined taking into account the computing step size TS of periodic tasks and assumed call rates and processing times of aperiodic tasks.
  • the size of the calculated and sent data packets in tasks of the simulation applications 5 the configuration of I / O functions of the I / O network nodes IO and the call rate and the size of processed I / O data packets are also taken into account.
  • the result is that the expected values for the node data rates E-KDR and also for the data connection data rates E-DVDR are significantly lower, since the functionality of the network nodes RK, R, IO concerned is actually not fully utilized.
  • the expected values for the data transmission rates E-DVDR of the data links DV have been determined in a similar manner to that described with reference to FIGS. 3 and 4, namely by considering the expected values for the node data rates E-KDR with which the network nodes 4 involved in feed the involved data connection DV.
  • the expected values for the communication connection latencies E-KVDR have also been determined by adding up the latencies of the network nodes 4 involved.
  • a critical communication connection KV3 is determined on the basis of the data determined in this way.
  • the expected value E-KVDR for the communication link data rate is somewhat greater than the corresponding limit value G-KVDR for the communication link data rate.
  • a possible solution is offered here - and possibly also implemented automatically - to reduce the node data rates of the I / O network nodes 102 and 103 by 25% each, namely by converting the analog / digital conversion carried out by the I / O network nodes to a lower resolution is set, namely from 16 bits to 12 bits (see corresponding entry in column U1). This measure does not result in any structural change in the topology of the simulation network 2.
  • Another proposal for a restructuring U2 is that the I / O network node I03 is not connected to the computing network node RK 2 via the communication network node R1, but rather via a relocated data connection DV6, which the I / O Network node I03 connects to the communication network node R2.
  • the resulting additional data transmission rate on the data connection DV3 does not lead to any inadmissible utilization of the data connection DV3; the limit values G-KVDR for the corresponding communication connection data rates are then far from being reached.
  • FIG. 7 a further, third variant of the computer-implemented method 1 for restructuring U of a predetermined distributed real-time simulation network 2 is shown.
  • the simulation network 2 shown in FIG. 7 corresponds practically completely to the simulation network 2 shown in FIG. 5, including the simulation applications 5 executed on the computing network nodes RK1, RK2.
  • a computer 7 is shown here on which the method 1 is programmed nically implemented.
  • the computer 7 is connected to the simulation network 2 via a data connection DVR.
  • the method 1 could also be carried out on a computer 7 as shown in FIG.
  • the computer 7 is not shown in the other figures in order not to unnecessarily complicate the representations.
  • the variant of method 1 dealt with in FIGS. 7 and 8 is characterized in that the expected values for the node data rates E-KDR and for the node latencies E-KL for the network nodes RK, R, IO are determined by measurement in the simulation network 2.
  • the expected values for the data transmission rates of the data links E-DVDR are calculated from the aforementioned expected values - as before explained - determined, but they are therefore also based on the measurements carried out.
  • the measurements are carried out while the simulation network 2 is in operation.
  • This has the advantage that effects such as data collisions on the data links DV or the communication links KV are also taken into account, which overall lead to a delay in data transmission and also to an increased amount of data, since data packets may have to be sent several times.
  • a particularly realistic assessment of the load on the simulation network 2 is obtained.
  • the expected values for the communication connection data rates E-KVDR and the expected values for the communication connection latencies E-KVL are also determined by measurements, in this case by a measurement during operation of the simulation network 2.
  • the fact that the expected values are also measured for the communication connections is in 8 from the table in that the expected values with regard to the communication link KV are not always obtained in summary form from the expected values of the nodes involved.
  • the expected values for the communication connection latencies E-KVL are measured by setting up a synchronous time for all network nodes RK, R, IO of the S in the u lation network 2, by each sending network node RK, R, IO the date or time sent by it .
  • the deviations between the determined expected values according to FIG. 5 and the measured expected values according to FIG. 7 are relatively small, so that the same critical communication links KV are determined, which can also be eliminated with the same measures.
  • the communication network nodes R1, R2 are each equipped with an observation application that records the data throughput statistically and then sends the corresponding information to the computer 7 for evaluation, where corresponding expected values can be determined by evaluating the statistics.
  • the advantage of this solution is that no additional infrastructure is required, but it must be taken into account that the execution of the observation applications, depending on the type of implementation, can have an - albeit slight - influence on the real-time data transfer.
  • E-KVDR expected value communication link Data transmission rate G-KVDR limit value communication link data transmission

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein computerimplementiertes Verfahren (1) zur Umstrukturierung (U) eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks (2), wobei das Simulationsnetzwerk (2) mehrere Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und mehrere Datenverbindungen (DV) aufweist, wobei jeder Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle aufweist zum Anschluss einer Datenverbindung (DV), wobei die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) über die Datenverbindungen (DV) zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung (KV) stehen, und wobei im Betrieb des Simulationsnetzwerks (2) auf wenigstens einem Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) eine Simulationsapplikation (5) ausgeführt wird. Mit dem Verfahren lässt sich automatisch eine Struktur für das Echtzeit-Simulationsnetzwerk (2) finden, bei der kritische Kommunikationsverbindungen (KV) reduziert und möglichst vermieden werden, indem die Topologie des Simulationsnetzwerks (2) erfasst wird, sodass Topologieinformationen (6) über die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und die Datenverbindungen (DV) zwischen den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) vorliegen, indem insbesondere für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) Erwartungswerte für Knotendatenraten (E-KDR) und/oder Knotenlatenzen (E-KL) ermittelt werden.

Description

Computerimplementiertes Verfahren zur Umstrukturierung eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Umstruk turierung eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks, wobei das Simulationsnetzwerk mehrere Netzwerkknoten und mehrere Da tenverbindungen aufweist, wobei jeder Netzwerkknoten mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle aufweist zum Anschluss einer Datenverbin dung, wobei die Netzwerkknoten über die Datenverbindungen zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung stehen, und wobei im Betrieb des Simulationsnetzwerks auf wenigstens einem Netzwerkknoten eine Simula tionsapplikation ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Steuergeräteentwicklung, insbesonde re die Entwicklung von Steuergeräten, wie sie im automotiven Bereich in großer Zahl eingesetzt werden, aber auch in der Luft- und Raumfahrt und zur Steuerung anderer technischer Prozesse. Unter derartigen Steuergerä ten werden heutzutage zumeist Kleinrechner mit einer I/O-Schnittstelle (I/O = Input/Output) verstanden, die oft mit einem echtzeitfähigen Betriebssys tem ausgestattet sind, das die Realisierung - auch komplexer - zumeist regelungstechnischer Aufgaben auf dem Steuergerät gestattet. Die Steuer- geräteentwicklung ist zentraler Bestandteil der technischen Entwicklung von umfangreichen gerätetechnischen Anlagen, wie sie aus der industriel len Praxis bekannt sind, beispielsweise und vornehmlich aus den eingangs genannten technischen Bereichen.
Der Test eines im Endprodukt zum Einsatz kommenden Serien- Steuergeräts ist der Endpunkt einer Mehrzahl vorgelagerter Entwicklungs schritte einer auf dem Steuergerät zu implementierenden Steuergeräte applikation (häufig eine Regelung oder Steuerung), wobei diese Entwick lungsschritte üblicherweise mit dem sogenannten V-Modell oder auch V- Zyklus beschrieben werden. Dazu werden die eingangs erwähnten verteil- ten Echtzeit-Simulationsnetzwerke benötigt. Am Anfang der für die Funktion vieler technischer Anlagen essenziellen Applikationsentwicklung steht die mathematische Modellierung beispielsweise eines Regelungsalgorithmus auf einem Rechner mit einer mathematisch-graphischen Modellierungsum gebung, wobei der Regler als Bestandteil des Steuergeräts aufzufassen ist. Zusätzlich wird auch die Umgebung des Steuergeräts mathematisch mo delliert, da die Interaktion des Reglers auf dem Steuergerät mit dem zu steuernden Prozess von Interesse ist. Bei dieser funktionalen mathemati- schen Betrachtung ist eine Simulation in Echtzeit meist nicht erforderlich (Offline-Simulation).
Im nächsten Schritt wird der zuvor entworfene Regelungsalgorithmus mit Hilfe des Rapid-Control-Prototyping (RCP) auf eine leistungsfähige, meist echtzeitfähige Hardware übertragen, die über geeignete I/O-Schnittstellen mit dem tatsächlichen physikalischen Prozess verbunden ist, also bei spielsweise mit einem Kraftfahrzeug-Motor. Diese echtzeitfähige Hardware hat mit dem später zum Einsatz kommenden Serien-Steuergerät im Regel fall nichts zu tun, es geht hier um den Nachweis der prinzipiellen Funktions fähigkeit der zuvor entworfenen Regelung in der Praxis.
In einem weiteren Schritt wird im Rahmen der automatischen Seriencode generierung die Regelung auf dem später im Serien-Steuergerät wahr scheinlich tatsächlich zum Einsatz kommenden Zielprozessor implementiert. Die Zielhardware nähert sich demnach in diesem Schritt dem Serien- Steuergerät an, ist mit dem Serien-Steuergerät aber nicht identisch. In ei nem weiteren Schritt wird das üblicherweise erst in einem späten Entwick lungsstadium vorhandene Serien-Steuergerät im Rahmen eines Hardware- In-the-Loop-Tests (HIL) überprüft. Das in diesem Schritt physikalisch vor handene Serien-Steuergerät wird hier mittels einer physikalischen Steuer geräteschnittstelle mit einem leistungsfähigen Simulator verbunden. Der Simulator simuliert die benötigten Größen des zu testenden Serien- Steuergeräts und tauscht Ein- und Ausgangsgrößen mit dem Serien- Steuergerät aus.
Das so im Rahmen der HIL-Simulation getestete Serien-Steuergerät wird letztendlich in dem "echten" Zielsystem, also beispielsweise in einem Kraft fahrzeug verbaut und in der echten physikalischen Umgebung getestet, die zuvor in der Simulationsumgebung nur vorgetäuscht worden ist.
Es ist einleuchtend, dass zur Realisierung der verschiedenen Entwick lungsschritte, sei es in Form des Rapid-Control-Prototyping oder in Form der Hardware-In-The-Loop-Simulation, eine leistungsstarke echtzeitfähige Hardware vorliegen muss, die im Regelfall ein verteiltes Echtzeit- Simulationsnetzwerk bildet, das mehrere Netzwerkknoten und mehrere Da tenverbindungen aufweist. Bei den Netzwerkknoten kann es sich beispiels weise um Rechenknoten handeln, also um Kleinrechner mit einem Echtzeit- Betriebssystem. Es kann sich auch um I/O-Knoten handeln, mit denen bei spielsweise Messdaten von einem physikalischen Prozess messtechnisch erfasst werden, und die dann digitalisierte Werte in Form von Datenpaketen in das Simulationsnetzwerk weitergeben, oder die auch analoge Steuersig nale ausgeben, um auf einen physikalischen Prozess einzuwirken, bei- spielsweise durch Ansteuerung eines Aktors. Zu den Netzwerkknoten gehö ren auch Kommunikationsknoten, die oft mit wenigstens zwei weiteren Kno ten verbunden sind und die weniger der Signalgenerierung oder - Verarbeitung dienen, sondern der Signalumsetzung (z. B. Umsetzung von Daten auf ein bestimmtes Protokoll) oder die der Serialisierung paralleler Datenströme dienen (Router) usw.
Die Netzwerkknoten weisen mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle auf, über die sie mittels einer Datenverbindung mit wenigstens einem ande ren Netzwerkknoten physikalisch in Verbindung stehen. Über die Datenver bindung stehen die Netzwerkknoten zumindest teilweise in Kommunikati onsverbindung, wobei eine Kommunikationsverbindung, wenn sie über mehrere Netzwerkknoten läuft, mehrere Datenverbindungen umfassen kann. Nicht jeder Knoten muss mit jedem anderen Knoten zwingend Daten austauschen, auch wenn das aufgrund der physikalischen Ausbildung des Simulationsnetzwerkes physikalisch möglich wäre. Die Netzwerkknoten - vereinfachend auch einfach nur Knoten - eines verteilten Echtzeit- Simulationsnetzwerks sind häufig nicht über große Distanzen miteinander entfernt, sondern können beispielsweise sogar in einem gemeinsamen Ge häuse eines Simulators untergebracht sein. "Verteilt" meint hier, dass die Netzwerkknoten über eine Datenverbindung Informationen austauschen und dies im Regelfall nicht durch Zugriff auf einen gemeinsamen Speicher tun können. Da das Echtzeit-Simulationsnetzwerk üblicherweise mit einem realen physikalischen Prozess verbunden ist, ist die Echtzeitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft. Wenn nachfolgend teilweise der Einfachheit halber nur von einem Simulationsnetzwerk die Rede ist, so ist doch stets ein Echt zeit-Simulationsnetzwerk gemeint.
Im Betrieb des Simulationsnetzwerkes wird auf wenigstens einem Netz werkknoten eine Simulationsapplikation ausgeführt. Dies wird üblicherweise auf einem Rechenknoten stattfinden, und zwar unter Verwendung eines echtzeitfähigen Betriebssystems, sodass ein regelungstechnisches Abtast system realisiert werden kann. Digitale Abtastsysteme setzen voraus, dass in einem bestimmten festen zeitlichen Raster Berechnungen zuverlässig durchgeführt und damit auch abgeschlossen werden können. Beispielswei se kann es bei hochdynamischen Regelungen erforderlich sein, einen voll ständigen Berechnungsschritt der Simulationsapplikation oder einer Task - also einer Teilfunktionalität - der Simulationsapplikation in einer Mikrose kunde durchzuführen. Dazu müssen über die Datenverbindungen des Si mulationsnetzwerkes entsprechende Messdaten von I/O-Netzwerkknoten in einem Mikrosekunden-Raster zu dem die Simulationsapplikation ausfüh renden Netzwerkknoten herangetragen werden, und entsprechend müssen dann in diesem Zeitraster auch entsprechende Stellgrößen von dem die Simulationsapplikation ausführenden Netzwerkknoten berechnet und an einen I/O-Netzwerkknoten weitergeleitet werden. Es kann sein, dass eine Simulationsapplikation, die auf einem Netzwerkknoten ausgeführt wird, ver schiedene Tasks aufweist, die in unterschiedlichen Berechnungsschrittwei ten ausgeführt werden müssen.
Unter einer Simulationsapplikation wird hier ein Algorithmus verstanden, der auf einem Netzwerkknoten ausgeführt wird. Es kann durchaus sein, dass eine regelungstechnische Gesamtaufgabe auf mehrere Netzwerkkno ten zur Berechnung verteilt ist, sodass jeder dieser mehreren Rechen- Netzwerkknoten eine Simulationsapplikation ausführt, wobei die verschie denen Simulationsapplikationen dann zusammen die zu erzielende Ge samtfunktionalität ausmachen.
Im Anwendungsfall RCP wird durch das Echtzeit-Simulationsnetzwerk das zu testende Steuergerät nachgebildet, wobei das Simulationsnetzwerk dann mit dem tatsächlich zu regelndem Prozess in Verbindung steht, näm lich über die I/O-Netzwerkknoten. Im Fall der HIL-Simulation wird mit dem Echtzeit-Simulationsnetzwerk die Umgebung eines praktisch fertig entwi ckelten Serien-Steuergeräts nachgebildet, wobei das Echtzeit- Simulationsnetzwerk dann wiederum über I/O-Rechenknoten mit dem Se- rien-Steuergerät in physikalischer Verbindung steht. In jedem Fall ist es also so, dass das Echtzeit-Simulationsnetzwerk über I/O-Schnittstellen be stimmter Netzwerkknoten mit einem echten technisch-physikalischen Pro zess in Verbindung steht und auf diesen technisch-physikalischen Prozess im Betrieb einwirkt.
In der Praxis ist die Auslegung eines solchen beschriebenen Echtzeit- Simulationsnetzwerks anspruchsvoll, da die Datenverbindungen und die in dem Simulationsnetzwerk realisierten Kommunikationsverbindungen so gewählt werden müssen, dass die tatsächlich erzielten Datenübertragungs raten nicht die Kanalkapazitäten, also die maximal erzielbaren Datenüber tragungsraten auf einem Korn m un ikationspfad übersteigen. Es kommt sehr schnell vor, dass das Kommunikationsaufkommen in einem solchen Echt zeit-Simulationsnetzwerk nicht gut balanciert ist, bestimmte Kommunikati onsverbindungen im Grenzbereich - oder auch darüber hinaus - ihrer Da tenübertragungskapazität betrieben wird, während andere Datenverbindun gen wenig ausgelastet sind. Das Gleiche gilt für Verzögerungszeiten, die auch als Latenzen bezeichnet werden, und die auf bestimmten Kommuni kationsverbindungen in Kauf genommen werden müssen. Bei ungünstiger Auslegung des Simulationsnetzwerks sind über bestimmte Kommunikati onsverbindungen nur sehr große Latenzen realisierbar, während auf ande- ren Kommunikationsverbindungen sehr kurze Latenzen realisiert werden können, sodass auch hier eine bessere Verteilung der Datenströme bzw. eine bessere Wahl der Kommunikationsverbindungen förderlich wäre. Die Auslegung der beschriebenen Echtzeit-Simulationsnetzwerke erfordert von den damit beschäftigten Applikations-Ingenieuren ein hohes Maß an Erfah rung. Ziel ist es, die vorhandenen Ressourcen des Simulationsnetzwerks möglichst vollständig auszunutzen, da ungenutzte Ressourcen in Form brachliegender Hardware mit erheblichen Kosten verbunden sein kann. Die Umstrukturierung von Simulationsnetzwerken nach dem Prinzip "Trial and Error" ist uneffektiv und fehlerträchtig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein systematisches und computerimplementierbares Verfahren zur Umstrukturierung eines Echtzeit- Simulationsnetzwerks für die Steuergeräteentwicklung anzugeben, mit dem sich eine Struktur für das Echtzeit-Simulationsnetzwerk finden lässt, bei der kritische Kommunikationsverbindungen reduziert und möglichst vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und auf gezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst dadurch gekennzeichnet, dass die Topologie des Simulationsnetzwerks erfasst wird, sodass Topologieinfor mationen über die Netzwerkknoten und die Datenverbindungen zwischen den Netzwerkknoten vorliegen. Dieser Verfahrensschritt dient der exakten Erfassung der Topologie des vorgegebenen Echtzeit- Simulationsnetzwerkes.
Dann werden für die Netzwerkknoten des S im u lationsnetzwerks Erwar tungswerte für Knotendatenraten und/oder Knotenlatenzen ermittelt. Auch für die Datenverbindungen werden Erwartungswerte für die Datenübertra gungsraten ermittelt. Bei diesen verschiedenen Erwartungswerten handelt es sich um Annahmen hinsichtlich der sich möglicherweise einstellenden Knotendatenraten, Knotenlatenzen und/oder Datenübertragungsraten auf Datenverbindungen. Ferner werden die Kommunikationsverbindungen zwi schen den Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerkes ermittelt. Die vor genannten Verfahrensschritte können in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden.
Nun werden für die ermittelten Kommunikationsverbindungen auf Grundla ge der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenla tenzen und/oder die Datenübertragungsraten der an der Kommunikations verbindung beteiligten Netzwerkknoten und Datenverbindungen Erwar tungswerte für Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder Kommu- nikationsverbindungs-Latenzen ermittelt. Da die Kommunikationsverbin- dungen innerhalb des Simulationsnetzwerkes die tatsächlich genutzten Da tenübertragungspfade zwischen Netzwerkknoten darstellen, über die also kommuniziert wird, handelt es sich bei den Kommunikationsverbindungs- Datenraten und den Kommunikationsverbindungs-Latenzen um die eigent lich interessierenden Größen innerhalb des Simulationsnetzwerkes.
Darüber hinaus werden für die Kommunikationsverbindungen Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder für die Kommuni- kationsverbindungs-Latenzen ermittelt. Für die Datenverbindung werden Grenzwerte für die Datenübertragungsraten ermittelt. Bei diesen Grenzwer ten handelt es sich um Werte für die Datenraten bzw. Latenzen der Kom munikationsverbindungen und Werte für die Datenübertragungsraten auf den Datenverbindungen, die noch als akzeptabel angesehen werden. Bei dem Grenzwert für die Datenübertragungsrate kann es sich beispielsweise um die Kanalkapazität, also die maximal mögliche Datenübertragungsrate der Kommunikationsverbindung oder eines Teilstücks der Kommunikations verbindung handeln oder auch einen prozentualen Anteil davon, wenn be stimmte Kapazitäten zur Sicherheit eingeplant werden sollen. Ein Grenz wert für die Datenübertragungsraten kann aber auch aus einem Vergleich der Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten resultieren bzw. aus einem daraus gebildeten Mittelwert, wenn gefordert wird, dass die Daten übertragungsraten auf verschiedenen Kommunikationsverbindungen nur zu einem bestimmten Grad voneinander abweichen sollen. Für die Realisie rung des allgemeinen Erfindungsgedankens ist die genaue Methode der Ermittlung der verschiedenen Erwartungswerte und der verschiedenen Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten, die Kommuni- kationsverbindungs-Latenzen und die Datenübertragungsraten nicht ent scheidend, entscheidend ist, dass Erwartungswerte und Grenzwerte zu nächst - wie im Detail auch immer - ermittelt werden.
In einem darauffolgenden Bewertungsschritt werden kritische Kommunika tionsverbindungen ermittelt, indem die ermittelten Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder Kommunikationsverbin- dungs-Latenzen und/oder Datenübertragungsraten mit den Grenzwerten für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder für die Kommunika- tionsverbindungs-Latenzen und/oder für die Datenübertragungsraten der betreffenden Kommunikationsverbindungen verglichen werden. Aus dem Vergleich von Erwartungswerten und den korrespondierenden Grenzwerten auf den verschiedenen Kommunikationsverbindungen resultiert also eine Einschätzung, welche Kommunikationsverbindungen als kritisch zu bewer ten sind. Die Bewertung wird durch einen numerischen Algorithmus vorge nommen, der sehr einfach aber auch sehr komplex definiert sein kann. Eine Regel könnte beispielsweise sein, dass eine Annäherung des Erwartungs wertes der Datenübertragungsrate an den Grenzwert der Datenübertra gungsrate über einen gewissen Anteil hinaus - beispielsweise über 80 % hinaus - zu einer Bewertung der Kommunikationsverbindung als kritisch führt. Ähnlich kann mit den Latenzen verfahren werden, dass nämlich eine Annäherung des Erwartungswertes für eine Kommunikationsverbindungs- Latenz an den Grenzwert für die entsprechende Kommunikationsverbin- dungs-Latenz über einen bestimmten Anteil hinaus - beispielsweise 80 % - ebenfalls zu einer Bewertung der Kommunikationsverbindung als kritisch resultiert.
Schlussendlich wird in einem Umstrukturierungsschritt das vorgegebene Simulationswerk so umstrukturiert, dass kritische Kommunikationsverbin dungen reduziert werden. Unter der Umstrukturierung des Simulations netzwerkes ist beispielsweise zu verstehen, dass neue Datenverbindungen zwischen kommunizierenden Netzwerkknoten eingerichtet werden, ggf. bestehende Datenverbindungen entfernt werden, dass Funktionalitäten von Netzwerkknoten anders verteilt werden, dass Simulationsapplikationen auf andere Netzwerkknoten verlagert werden oder Simulationsapplikationen aufgeteilt und auf verschiedene Netzwerkknoten verteilt werden, dass Netzwerkknoten, in denen viele Kommunikationspfade zusammenlaufen, entlastet werden, indem alternative Kommunikationspfade durch das Simu lationsnetzwerk realisiert werden usw.
Das zuvor beschriebene Verfahren zur Umstrukturierung eines vorgegebe nen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks lässt sich auch iterativ durch führen, um so schrittweise eine bessere und gleichmäßigere Auslastung des Simulationsnetzwerkes zu erzielen.
Mit der Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, die Ressourcen eines Echtzeit-Simulationsnetzwerks möglichst effizient einzu setzen, da - teilweise - Überdimensionierungen vermieden werden können und auf eine gleichmäßige Auslastung des Simulationsnetzwerks hingewirkt wird.
Die Umstrukturierung kann je nach technischer Realisierung des Simulati onsnetzwerks vollkommen automatisch erfolgen. Dies lässt sich beispiels weise dann besonders einfach realisieren, wenn als Ausgangssituation des Echtzeit-Simulationsnetzwerks eine vollvermaschte Struktur bereitgestellt wird, in der praktisch jeder Netzwerkknoten über eine Datenverbindung mit jedem anderen Netzwerkknoten verbunden ist, jedenfalls soweit dies tech nisch überhaupt sinnvoll ist. Es mag beispielsweise wenig sinnvoll erschei nen, I/O-Netzwerkknoten untereinander mit Datenverbindungen zu vernet- zen, wohingegen es sinnvoll sein kann, Rechen-Netzwerkknoten sämtlich untereinander zu vernetzen. Im Rahmen der Durchführung des Verfahrens können dann Datenverbindungen innerhalb des Echtzeit- Simulationsnetzwerks fallengelassen werden, sodass das Simulations netzwerk hinsichtlich der Datenverbindungen ausgedünnt wird. Eine derar tige Umstrukturierung kann irreversibel sein, beispielsweise bei Verwen dung einer Fuse- oder Antifuse-Technologie, wie sie bei einmalig program mierbaren FPGAs (Field Programmable Gate Array) zu finden ist. Die Um strukturierung kann auch einen reversiblen Charakter haben, beispielswei se wenn mehrfach programmierbare Strukturen verwendet werden, wie beispielsweise mehrfach konfigurierbare FPGAs.
Die Umstrukturierung kann teilweise aber auch manuell erfolgen, wobei die Umstrukturierungsinformationen vollständig aus dem automatisierten Be wertungsschritt resultieren. Die Umstrukturierung, also das Entfernen von Datenverbindungen, das Verlegen von Simulationsapplikationen, das Ver legen von Kommunikationsverbindungen usw. kann dann teilweise manuell erfolgen. Die genauen Anweisungen, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, resultieren jedoch vollautomatisch aus der Durchführung des computerim plementierten Verfahrens. In einem Ausführungsbeispiel des computerim plementierten Verfahrens ist insbesondere vorgesehen, dass zur Verminde rung von Latenzen auf einer Kommunikationsverbindung, bei der vor einem Umstrukturierungsschritt ein oder mehrere Kommunikations-Netzwerk knoten, bspw. Router, zwischen einem Rechen-Netzwerkknoten und einem I/O-Netzwerkknoten durchlaufen werden, ein Umstrukturierungsschritt der art durch das Verfahren vorgegeben wird, dass nach Vollendung des Um strukturierungsschrittes eine Datenverbindung mit einer verringerten Anzahl von Kommunikations-Netzwerkknoten (bspw. Router) oder eine Datenver bindung mit keinem Kommunikations-Netzwerkknoten vorliegt. Nach einem der beiden letztgenannten Umstrukturierungsschritte wird somit bei einer Datenübertragung von dem I/O-Netzwerkknoten zu dessen korrespondie renden Rechen-Netzwerkknoten bspw. eine verringerte oder keine Übertra gungslatenz, die einem oder mehreren Kommunikations-Netzwerkknoten zuzuordnen ist, festzustellen sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Topologie des Simulationsnetzwerkes gewonnen wird durch Aufrufen von auf den Knoten des Simulationsnetz werkes implementierten Informationsdiensten, die bei Aufruf Informationen darüber zurückliefern, mit welchen Knoten sie unmittelbar verbunden sind, insbesondere über welche Datenverbindungen sie mit welchen Knoten un mittelbar verbunden sind. Diese Informationsdienste können sehr rudimen tär sein und entsprechende Verbindungsinformationen an die aufrufende Stelle zurückliefern. Wenn von jedem Netzwerkknoten bekannt ist, mit wel- chem anderen Netzwerkknoten er direkt verbunden ist, lässt die Topologie des Echtzeit-Simulationsnetzwerkes ohne Weiteres eindeutig ermitteln. Al ternativ ist vorgesehen, dass die Topologie des Simulationsnetzwerks ge wonnen wird durch Einlesen einer Datei mit den Topologie-Informationen des vorgegebenen Simulationsnetzwerks.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im Umstrukturierungsschritt die kritischen Kommunikationsverbindungen im vorgegebenen Simulationsnetzwerk reduziert werden, indem im vorgege benen Simulationsnetzwerk zumindest teilweise unter Beibehaltung der Topologie des Simulationsnetzwerks die Netzwerkknoten funktional erwei tert und/oder funktional reduziert werden, und/oder indem die Datenverbin dungen funktional erweitert und/oder funktional reduziert werden, und/oder indem Kommunikationsverbindungen zwischen Netzwerkknoten anders geführt werden. Die funktionale Erweiterung bzw. die funktional Reduzie rung von Netzwerkknoten kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass Simulationsapplikationen anders zwischen Netzwerkknoten aufgeteilt werden. Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung der Funktionalität eines Netzwerkknotens kann darin bestehen, beispielsweise die Datenrate, mit der Informationen übertragen werden sollen, zu reduzieren. Auch kann bei spielsweise die Auflösung von zu übertragenden Werten reduziert werden, sodass im Ergebnis die Bitlänge der zu übermittelnden Informationen redu ziert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise in der - verlust freien - Datenkompression, wobei hier zu berücksichtigen ist, dass dies möglicherweise zu einer größeren Latenz eines Netzwerkknotens führt. Die funktionale Erweiterung bzw. Reduzierung von Datenverbindungen kann dadurch erzielt werden, dass andere Übertragungsmedien eingesetzt wer den, die abweichende Kanalkapazitäten aufweisen.
Die Reduzierung von kritischen Kommunikationsverbindungen im vorgege benen Simulationsnetzwerk kann alternativ oder zusätzlich dadurch erreicht werden, dass das vorgegebene Simulationsnetzwerk zumindest teilweise unter Veränderung des Simulationsnetzwerks um wenigstens einen zusätz lichen Netzwerkknoten und um wenigstens eine zusätzliche Datenverbin dung erweitert und/oder um wenigstens einen bestehenden Netzwerkkno ten, und um wenigstens eine bestehende Datenverbindung reduziert wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenver bindungen gewonnen werden durch Summierung der Datenraten der ange schlossenen Netzwerkknoten. Die Datenraten der angeschlossenen Netz werkknoten können auf unterschiedliche Art und Weise gewonnen werden, was nachfolgend noch erläutert werden wird. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgese hen, dass als Grenzwerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbin dungen die Kanalkapazitäten der Datenverbindungen herangezogen wer den, also die maximalen Datenübertragungsraten, die mit den Datenver bindungen möglich sind.
Nachfolgend werden drei Varianten zur Ausgestaltung des bislang be schriebenen Verfahrens dargestellt, die sich in der Art und Weise der Er mittlung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder für die die Knotenlatenzen der Netzwerkknoten und/oder für die Ermittlung der Erwar tungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen unter scheiden.
Gemäß einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ermittelt werden aufgrund der Hardwarespezifi kation der Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks, insbesondere ohne Berücksichtigung von Simulationsapplikationen des jeweiligen Netzwerk knotens, insbesondere ohne Berücksichtigung etwaiger Hardwareparamet rierungen des betreffenden Netzwerkknotens. Hiermit sind nur vergleichs weise grobe Abschätzungen für die genannten Erwartungswerte möglich. Insbesondere wird nicht berücksichtigt, welche Simulationsapplikationen mit wieviel unterschiedlichen Tasks und mit welchen Abtastzeiten berechnet werden, mit welcher Frequenz Daten aufgenommen und/oder über welche Kanäle Daten versendet werden und wie beispielsweise I/O- Netzwerkknoten parametriert sind (Abtastrate, Auflösung). Deshalb bietet sich diese Variante der Ermittlung der Erwartungswerte dazu an, worst- case Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlaten zen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks zu ermitteln, indem Maximalwerte der Knotendatenraten und/oder der Knotenlatenzen für die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen herangezogen werden. Dies führt jedenfalls zu der Erkenntnis, ob die Aus legung des Echtzeit-Simulationsnetzwerks auch unter durchweg sehr un günstig angenommenen Bedingungen funktionsfähig ist oder nicht.
Bei einer Weiterbildung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist vorgese hen, dass aus einer Mehrzahl an bekannten, funktionsfähig konfigurierten Echtzeit-Simulationsnetzwerken Mittelwerte für tatsächliche Knotendatenra ten und/oder Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetz werks ermittelt werden und diese Mittelwerte als Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks gewählt werden. Bei dieser Ausgestaltung der ersten Variante zur Ermittlung von Erwartungswerten werden auch keine applikati- onsspezifischen Informationen verwendet, also Informationen, die den Be trieb des konkret vorgegebenen Echtzeit-Simulationsnetzwerks betreffen, sondern lediglich die Hardware-Informationen über das Simulationsnetz werk. Jedoch werden Erfahrungswerte aus anderen Simulationsnetzwerken herangezogen, die über die gleichen Netzwerkknoten verfügen. Dies setzt voraus, dass entsprechende Informationen über funktionsfähig konfigurierte Echtzeit-Simulationsnetzwerke vorliegen. In einer Ausführungsvariante des computerimplementierten Verfahrens ist beispielsweise vorgesehen, o.g. Erfahrungswerte, umfassend eine applikationsspezifische Aufrufrate aperi- odischer Tasks und/oder umfassend eine applikationsspezifische Bearbei tungsdauer aperiodischer Tasks, für die Ermittlung eines/mehrerer Erwar- tungswerte/s heranzuziehen.
Gemäß einer zweiten Variante zur Bestimmung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks werden diese Erwartungswerte ermittelt unter Be rücksichtigung von Simulationsapplikationen der jeweiligen Netzwerkknoten, insbesondere unter Berücksichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es nicht erfor- derlich, dass die Simulationsapplikationen auch ausgeführt werden, wichtig ist lediglich, dass die Kenntnis über relevante Parameter der Simulations applikationen und/oder der Hardwareparametrierungen vorliegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder die Knotenla- tenzen für die Netzwerkknoten ermittelt werden unter Berücksichtigung der Rechenschrittweite von periodischen Tasks und/oder angenommener Auf rufraten und Bearbeitungsdauern von aperiodischen Tasks, der Größe von berechneten und verschickten Datenpaketen in Tasks, der Konfiguration von I/O-Funktionen, insbesondere der Aufrufrate und der Größe bearbeite- ter I/O-Datenpakete.
Periodische Tasks sind Funktionen innerhalb von Simulationsapplikationen, die in einem bestimmten konstanten zeitlichen Abstand, der Rechenschritt weite, ausgeführt werden. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn numerische Verfahren zur Lösung von Gleichungen - auch Differenzialglei- chungen - im Rahmen einer solchen periodischen Task ausgeführt werden. Eine solche Rechenschrittweite liegt typischerweise im Bereich von Millise kunden, bei anspruchsvollen, sehr dynamischen Aufgaben kann die Re chenschrittweite heutzutage aber auch im Bereich von Mikrosekunden lie gen. Während die periodischen Tasks durch ein festes zeitliches Raster getrieben sind, werden aperiodische Tasks durch Einflüsse ausgelöst, die nicht in einem vorhersehbaren zeitlichen Raster liegen, sondern beispiels weise durch äußere Einflüsse ausgelöst werden. In der praktischen Umset zung werden derartige Tasks - also Funktionen innerhalb einer Simulati onsapplikation - mit einem Interrupt verknüpft und dann bedarfsweise - eben ereignisgetrieben bzw. aperiodisch - ausgeführt. Da nicht ohne Wei teres vorhersehbar ist, wie häufig derartige aperiodische Tasks aufgerufen werden, wird in dieser Ausgestaltung des Verfahrens mit angenommenen Aufrufraten gearbeitet.
Genauso wird berücksichtigt, wie groß die bei der Ausführung einer - peri odischen oder aperiodischen - Task ggf. verschickten Datenpakete sind, da dies genauso entscheidend ist für die dann resultierende Datenübertra gungsrate, die ein Netzwerkknoten verursacht und die demzufolge über eine Datenverbindung und demzufolge auch über eine Kommunikations verbindung zu übertragen ist. Netzwerkknoten, die als I/O-Netzwerkknoten realisiert sind, führen meist keine frei programmierbare Simulationsapplika tion durch, sondern eine durch die Fähigkeiten der Flardware festgelegte I/O-Funktionalität, beispielsweise eine Analog/Digital-Wandlung, die aber in gewissen Grenzen parametriert werden kann. Beispielsweise können I/O- Netzwerkknoten durch Parametrierung häufig vorgegeben werden, mit wel cher Rate sie Daten erfassen und/oder ausgeben und mit welcher numeri scher Auflösungen dies erfolgt, was Einfluss auf die Größe der bearbeiteten I/O-Datenpakete hat.
Diese zweite Variation zur Ermittlung von Erwartungswerten ist grundsätz lich erheblich präziser als das reine Arbeiten mit Flardware-Spezifikationen von Netzwerkknoten und Datenverbindungen. Jedoch werden hier nicht berücksichtigt - und können auch nicht berücksichtigt werden - mögliche Verzögerungen, die in echten Simulationsnetzwerken üblicherweise auftre- ten. Beispielsweise können Kollisionen zwischen Datenübertragungen ver schiedener Netzwerkknoten Vorkommen, die ein und dieselbe Datenverbin dung nutzen. Dies kann dazu führen, dass ein von einem Netzwerkknoten zu verschicken beabsichtigtes Datenpaket mit einer gewissen Zeitverzöge rung erneut abgeschickt werden muss, sodass sich Latenzen ergeben, die bei einer rein theoretischen Betrachtung, beispielsweise gemäß der zweiten Variante der Ermittlung von Erwartungswerten, nicht berücksichtigt werden.
Um auch diese Effekte zu berücksichtigen, ist gemäß einer dritten Variante zur Ermittlung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten und/oder für die Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten und/oder die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen des Simulations netzwerks vorgesehen, diese Erwartungswerte durch Messung im Simula- tionsnetzwerk zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten und/oder die Kommunikationsverbindungs-Latenzen ermittelt durch Mes sung im Betrieb des Simulationsnetzwerks, wozu es erforderlich ist, die Si mulationsapplikationen auf dem entsprechenden Netzwerkknoten während der Messung auszuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zur Messung der Erwartungs werte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen vorgesehen, dass eine synchrone Uhrzeit für die Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks einge richtet wird. Jeder sendende Netzwerkknoten verschickt das von ihm ver schickte Datum, also das von ihm verschickte Datenpaket, mit einem Ver sand-Zeitstempel. Der letzte empfangende Netzwerkknoten in der Kommu nikationsverbindung kann dann aus der Empfangszeit des empfangenen Datums bzw. des Datenpakets und durch Auswertung des Versand- Zeitstempels den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs- Latenz der entsprechenden Kommunikationsverbindung ermitteln. Da dies bei Ausführung der Simulationsapplikationen auf dem Netzwerkknoten ge schieht, werden auch zusätzliche zeitliche Verzögerungen beim realen Be trieb des Simulationsnetzwerkes - beispielsweise durch Kollisionen auf den Kommunikationsverbindungen - berücksichtigt.
Alternativ können die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbin- dungs-Latenzen gemessen werden, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks eingerichtet wird, und indem eine Echofunktionalität in den Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerkes implementiert wird. Eine solche Echofunktionalität ist auch unter dem Be griff "Ping" im Bereich der Datenübertragung an sich bekannt. Die Erwar tungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen werden dann gemessen, indem der im Betrieb des Simulationsnetzwerks empfangende Netzwerkknoten oder der sendende Netzwerkknoten einer Kommunikati onsverbindung an den im Betrieb des Simulationsnetzwerks entsprechend sendenden Netzwerkknoten oder den empfangenden Netzwerkknoten eben dieser Kommunikationsverbindung eine Echo-Aufforderung sendet und der die Echo-Aufforderung sendende Netzwerkknoten nach Empfang des Echosignals die Echoumlaufzeit bestimmt und daraus den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz ermittelt. Diese Messung kann insbesondere vorgenommen werden, wenn das Simulationsnetzwerk wäh rend Durchführung des Echoverfahrens nicht betrieben wird, also die Simu lationsapplikationen auf dem Netzwerkknoten nicht ausgeführt werden. Al ternativ ist es auch möglich, das Simulationsnetzwerk während der Durch- führung des Echoverfahrens zu betreiben, also die Simulationsapplikatio nen auf dem Netzwerkknoten auszuführen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und aller Varianten des zuvor beschriebenen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren auf einem Rechner ausgeführt wird, der mit dem Simulationsnetzwerk über ei ne Datenverbindung verbunden ist, oder dass das Verfahren auf einem als Rechenknoten ausgebildeten Netzwerkknoten des Simulationsnetzwerks ausgeführt wird.
Die eingangs hergeleitete Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Compu- terprogramm produkt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Pro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß der vorangestellten Beschreibung auszuführen. Ebenso wird die hergeleite te Aufgabe gelöst durch ein computerlesbares Speichermedium, das Befeh le umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Wenn hier von einem Computer die Rede ist, dann kann es sich dabei - wie be reits oben ausgeführt - um einen Rechner handeln, der mit dem Simulati onsnetzwerk über eine Datenverbindung verbunden ist, oder es kann sich auch um einen als Rechenknoten ausgebildeten Netzwerkknoten des Si- mulationsnetzwerks handeln.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungs gemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwie sen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentan sprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbei- spielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines FIIL-Simulators, mit dem ein Echtzeit-Simulationsnetzwerk realisiert ist, wobei an den FIIL-Simulator Steuergeräte angeschlossen sind,
Fig. 2 schematisch ein Simulationsnetzwerk mit verschiedenen
Netzwerkknoten und mit mehreren Datenverbindungen,
Fig. 3 das Simulationsnetzwerk aus Fig. 2, das gemäß einer ersten
Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simulati onsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird,
Fig. 4 eine tabellarische Darstellung der ersten Variante des Verfah rens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks gemäß Fig. 3, Fig. 5 das Simulationsnetzwerk gemäß Fig. 2, das gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Si mulationsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird,
Fig. 6 eine tabellarische Darstellung der zweiten Variante des Verfah rens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks nach Fig.
5,
Fig. 7 das Simulationsnetzwerk gemäß Fig. 2, das gemäß einer drit ten Variante des Verfahrens zur Umstrukturierung des Simula tionsnetzwerks untersucht und umstrukturiert wird und Fig. 8 eine tabellarische Darstellung der dritten Variante des Verfah rens zur Umstrukturierung des Simulationsnetzwerks gemäß Fig. 7.
Die Figuren beschreiben insgesamt ein computerimplementiertes Verfahren 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit- Simulationsnetzwerks 2, nachfolgend auch einfach nur als "Simulations netzwerk" bezeichnet, wie es für die Steuergeräteentwicklung eingesetzt wird.
Die Fig. 1 und 2 stellen typische Situationen bei der Entwicklung von Steu ergeräten dar, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. In Fig. 1 ist ein Hardware-in-the-Loop- Simulator 3 dargestellt, mit dem das vorgegebe ne verteilte Echtzeit-Simulationsnetzwerk 2 realisiert ist. Die Netzwerkkno ten 4 des Simulationsnetzwerks 2 liegen hier unter anderem als Einsteck karten des FIIL-Simulators 3 vor. Die Netzwerkknoten 4 sind über mehrere Datenverbindungen DV zumindest teilweise miteinander verbunden. Dazu weist jeder Netzwerkknoten 4 mindestens eine Datenverbindungsschnitt stelle auf, die zum Anschluss einer Datenverbindung DV dient. Die Netz werkknoten 4 stehen über die Datenverbindungen DV zumindest teilweise in Kommunikationsverbindung KV. Eine Kommunikationsverbindung ist also innerhalb des Simulationsnetzwerks 2 ein Pfad, über den zwei Netzwerk- knoten tatsächlich Informationen austauschen. Im Betrieb des Simulations netzwerks 2 wird auf wenigstens einem der Netzwerkknoten 4 eine Simula tionsapplikation 5 ausgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um ein technisch-mathematisches Fahrzeugmodell.
Die Netzwerkknoten 4 weisen unterschiedliche Funktionalitäten auf. Es gibt Netzwerkknoten 4, die als Rechen-Netzwerkknoten RK ausgeführt sind. Sie stellen Kleinrechner dar, auf denen ein Echtzeit-Betriebssystem ausgeführt wird. Andere Netzwerkknoten 4 realisieren Kommunikations- Netzwerkknoten R. Sie dienen beispielsweise der Serialisierung paralleler Datenströme. Wiederum andere Netzwerkknoten 4 sind als I/O- Netzwerkknoten IO ausgeführt. Mit ihnen können Messdaten von einem externen physikalischen Prozess aufgenommen werden, oder es können von ihnen Signale zur Beeinflussung des externen physikalischen Prozes ses ausgegeben werden. Der externe physikalische Prozess ist in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Steuergeräte 8 gege ben. Die Steuergeräte 8 sind signaltechnisch mit dem Simulationsnetzwerk 2 verbunden, was in Fig. 1 nur angedeutet ist. Bei Betrieb des Simulations netzwerks 2 wechselwirkt das Simulationsnetzwerk 2 mit den angeschlos senen Steuergeräten 8. Die Steuergeräte 8 werden hier mit Hilfe des HIL- Simulators 3 auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft. Das Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 1 ist nur beispielhaft, es sind vollkommen andere geräte technische Aufbauten möglich.
In den Figuren sind die verschiedenen Komponenten der dargestellten Si mulationsnetzwerke 2 mit dem jeweils schon oben genannten generischen Stammkürzel (z. B. DV, RK, R, IO usw.) und mit einer nachfolgenden Ziffer bezeichnet (z. B. DV1 , RK2, R1 , I03). Im Folgenden werden die Bezeich ner für die verschiedenen Netzwerkknoten 4 des Simulationsnetzwerks 2 teilweise in der generischen Art und Weise verwendet, wenn es auf das genaue Element des Simulationsnetzwerks 2 nicht ankommt. Ist ein spezi elles Element gemeint, also beispielsweise ein spezieller Rechenknoten in einem dargestellten Simulationsnetzwerk, dann ist beispielsweise vom Re chenknoten RK2 die Rede und nicht nur von einem Rechenknoten RK.
In Fig. 2 ist etwas genauer ein Simulationsnetzwerk 2 dargestellt, wenn gleich die Darstellung auch nur schematisch ist. Das Simulationsnetzwerk 2 verfügt über zwei Rechen-Netzwerkwerkknoten RK1 , RK2, über zwei Kommunikations-Netzwerkknoten R1 , R2 in Form von Routern und über fünf I/O-Netzwerkknoten 101 , I02, I03, I04, I05. Die Netzwerkknoten 4 sind insgesamt über mehrere Datenverbindungen DV, nämlich die Daten verbindungen DV0, DV1 , ..., DV8 in bestimmter Weise miteinander verbun den. Nicht jeder Netzwerkknoten 4 ist mit jedem anderen Netzwerkknoten 4 verbunden, es existieren also nur ausgewählte Datenverbindungen DV zwi schen den Netzwerkknoten 4.
Die Netzwerkknoten 4 kommunizieren in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung, die mit dem Simulationsnetzwerk 2 durchgeführt wird, unterei nander über bestimmte Kommunikationsverbindungen KV, von denen hier der besseren Übersicht halber nur zwei Kommunikationsverbindungen KV1 , KV2 dargestellt sind. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verschickt der I/O-Netzwerkknoten 101 Messdaten über den Kommunikati ons-Netzwerkknoten R1 an den Rechen-Netzwerkknoten RK1. Ebenso sendet der I/O-Netzwerkknoten I04 Messdaten über den Kommunikations- Netzwerkknoten R2 an den Rechen-Netzwerkknoten RK2. Kommunikati onsverbindungen KV sind also die Kommunikationsverbindungen, die tat sächlich zwischen miteinander kommunizierenden Netzwerkknoten 4 aus gebildet sind, sie können also mehrere Datenverbindungen DV nutzen.
Bei der Auslegung und Implementierung von derartigen Simulationsnetz werken 2 muss die Struktur des Simulationsnetzwerks 2 mit großer Umsicht gewählt werden, damit das Simulationsnetzwerk 2 im Betrieb nicht an seine funktionalen Grenzen stößt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Datenverbindungen DV von den Netzwerkknoten 4 in Summe mit so hohen Datenübertragungsraten beaufschlagt werden, dass sie an ihre Kanalkapazität stoßen. Eine Überlastung kann auch dann gegeben sein, wenn die Verzögerungen bei der Übertragung von Datenpaketen zwischen Netzwerkknoten 4, die sog. Latenzen, größer sind, als dies gewünscht und auch erforderlich ist.
Mit den in den Fig. 3 bis 8 dargestellten computerimplementierten Verfah ren 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit- Simulationsnetzwerkes 2 ist es möglich, ein vorgegebenes Echtzeit- Simulationsnetzwerk 2 systematisch so umzustrukturieren, dass kritische Kommunikationsverbindungen automatisch erkannt und zumindest redu ziert oder auch gänzlich beseitigt werden.
In den Fig. 3, 5 und 7 sind jeweils S im u lationsnetzwerke 2 dargestellt, die jeweils gleiche Komponenten aufweisen, also gleiche Netzwerkknoten 4 und gleiche Datenverbindungen DV zwischen den Netzwerkknoten 4. Die Rechen-Netzwerkknoten RK1 , RK2 sind jeweils dazu vorgesehen, eine Si mulationsapplikation 5 auszuführen. Die Simulationsapplikation 5 auf den Rechen-Netzwerkknoten RK1 , RK2 unterscheiden sich funktional vonei nander und realisieren zusammen eine Gesamtanwendung des Simulati onsnetzwerks 2.
Den in den Fig. 3 und 4, in den Fig. 5 und 6 und in den Fig. 7 und 8 darge stellten drei unterschiedlichen Varianten des Verfahrens 1 zur Umstrukturie rung U des jeweils dargestellten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 sind die folgenden Verfahrensschritte gemein. Zunächst wird die Topologie des Si mulationsnetzwerks 2 jeweils erfasst, sodass Topologie-Informationen 6 über die Netzwerkknoten 4 und die Datenverbindungen DV zwischen den Netzwerkknoten 4 vorliegen. Dies ist jeweils in den Tabellen gemäß den Fig. 4, 6 und 8 dargestellt, wobei die Netzwerkknoten 4 jeweils vollständig er fasst sind. Die Informationen, welche Netzwerkknoten 4 mit welchen Da tenverbindungen DV verbunden sind, sind hier im Einzelnen der Übersicht halber nicht dargestellt. In den Tabellen sind jedenfalls die Rechen- Netzwerkknoten RK1 , RK2, die Kommunikations-Netzwerkknoten R1 , R2 und die I/O-Netzwerkknoten 101 , ... , I05 erfasst. Auch sind jeweils erfasst sämtliche Datenverbindungen DVO bis DV8.
Für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2 werden dann Erwartungswerte E-KDR für die Knotendatenraten und Erwartungs werte E-KL für die Knotenlatenzen ermittelt. Die Knotendatenraten sind da bei die Datenraten, die von den jeweiligen Netzwerkknoten RK, R, IO er zeugt, empfangen oder übermittelt werden können. Bei den Knoten latenzen handelt es sich um die Zeitverzögerungen, mit denen die Netzwerkknoten RK, R, IO das Aussenden, Empfangen und Übermitteln von Datenpaketen verzögern. Ferner werden für die Datenverbindungen DV Erwartungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten ermittelt. Die Erwartungswerte für die vorgenannten Größen sind jeweils in der zweiten, dritten und vierten Spalte der dargestellten Tabellen aufgeführt.
Darüber hinaus werden die Kommunikationsverbindungen KV zwischen den Netzwerkknoten des S im u lationsnetzwerks ermittelt, also die Daten pfade, über die die verschiedenen Netzwerkknoten 4 von Ende zu Ende kommunizieren. Die Kommunikationsverbindungen KV sind in den Fig. 3, 5 und 7 jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet. In den Tabellen sind die teilnehmenden Elemente des jeweiligen Simulationsnetzwerks 2 nicht noch einmal separat aufgeführt, die Kommunikationsverbindungen KV als solche werden jedoch jeweils in einer Spalte der entsprechenden Tabellen geführt.
Für die Kommunikationsverbindungen KV wird auf Grundlage der Erwar tungswerte E-KDR für die Knotendatenraten und/oder auf Grundlage der Erwartungswerte E-KL für die Knotenlatenzen und/oder für die Erwar tungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten der an der jeweiligen Kommunikationsverbindung KV beteiligten Netzwerkknoten 4 und Daten verbindungen DV Erwartungswerte für Kommunikationsverbindungs- Datenraten E-KVDR und/oder für Kommunikationsverbindungs-Latenzen E- KVL ermittelt. Diese ermittelten Erwartungswerte sind in den jeweiligen Spalten für die Kommunikationsverbindungen KV aufgeführt.
Für die Kommunikationsverbindungen KV werden dann Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten G-KVDR und/oder Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen G-KVL ermittelt, und für die Da tenverbindungen DV werden Grenzwerte für die Datenübertragungsraten G-DVDR ermittelt. Diese Grenzwerte können beispielsweise von dem mit der Auslegung des Simulationsnetzwerks befassten Ingenieur vorgegeben werden. Es können sich aber auch um Vorgabewerte aus verschiedenen vorgegebenen Entwurfsschemata handeln. Beispielsweise könnten bei ei nem sicheren Entwurfsschemata verhältnismäßig kleine Grenzwerte vorge geben werden, während bei einem Entwurfsschemata mit möglichst voll ständiger Ressourcennutzung auch größere Grenzwerte akzeptabel sind.
An dieser Stelle ist es im Einzelnen noch nicht von Interesse, wie genau die verschiedenen Erwartungswerte und wie genau die verschiedenen Grenz werte ermittelt bzw. gewählt werden, wichtig ist hier zunächst, dass diese Werte - oder eine Auswahl davon - überhaupt ermittelt bzw. gewählt oder vorgegeben werden.
In einem Bewertungsschritt BS werden dann kritische Kommunikationsver bindungen ermittelt, indem die ermittelten Erwartungswerte für die Kommu- nikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR und/oder für die Kommunikati- onsverbindungs-Latenzen E-KVL und/oder für die Datenübertragungsraten E-DVDR mit den Grenzwerten für die Kommunikationsverbindungs- Datenraten G-KVDR und/oder für die Kommunikationsverbindungs- Latenzen G-KVL und/oder für die Datenübertragungsraten G-DVDR der betreffenden Kommunikationsverbindung KV bzw. der betreffenden oder beteiligten Datenverbindung DV verglichen werden. Die Grenzwerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten G-KVDR und für die Kommunika- tionsverbindungs-Latenzen G-KVL sind in den Tabellen jeweils auch in den Spalten für die jeweilige Kommunikationsverbindung KV eingetragen.
Das Ergebnis des Bewertungsschrittes BS ist in den Tabellen jeweils sym bolisiert entweder durch einen Haken, wenn der Bewertungsschritt ergeben hat, dass die untersuchte Kommunikationsverbindung KV unkritisch ist, al so die Grenzwerte von den korrespondierenden Erwartungswerten nicht überschritten werden, oder durch ein Blitzsymbol, wenn sich die untersuch te Kommunikationsverbindung KV als kritisch herausgestellt hat, also ein Erwartungswert den korrespondierenden Grenzwert überschreitet. Sind kritische Kommunikationsverbindungen KV erkannt worden, lassen sich auch die an den kritischen Kommunikationsverbindungen beteiligten Kom ponenten des Simulationsnetzwerks 2 ausfindig machen, dargestellt in der mit BS überschriebenen Spalte in den jeweiligen Tabellen.
Den dargestellten drei Verfahrensvarianten ist ebenfalls gemeinsam, dass in einem Umstrukturierungsschritt U das vorgegebene Simulationsnetzwerk 2 so umstrukturiert wird, dass kritische Kommunikationsverbindungen KV reduziert werden, idealerweise in Gänze eliminiert werden. Entsprechende Umstrukturierungsmaßnahmen sind in den Tabellen in der mit U über schriebenen Spalte bzw. in den mit U1 und U2 überschriebenen Spalten vermerkt. Nachdem die gemeinsamen Merkmale für die verschiedenen Varianten des Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echt zeit-Simulationsnetzwerks 2 erläutert worden sind, werden nachfolgend zu den einzelnen Verfahrensvarianten im Wesentlichen nur noch die kenn zeichnenden Merkmale der Varianten des Verfahrens 1 erörtert.
Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Verfahren 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und für die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulations netzwerks 2 ermittelt werden aufgrund der Hardwarespezifikationen der Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulationsnetzwerks 2, vor allem ohne Berücksichtigung der Simulationsapplikationen 5 der Rechen- Netzwerkknoten RK1 , RK2 und ohne Berücksichtigung sonstiger Hard wareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO. Da die Simulations applikationen 5 der Rechen-Netzwerkknoten RK1 , RK2 und sonstige Hard wareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R und IO nicht berücksich tigt werden, ist nicht bekannt, welche Kommunikationsverbindungen KV zwischen den Netzwerkknoten RK, R, IO existieren, es werden deshalb mögliche sinnvolle Kommunikationsverbindungen KV angenommen. Als nicht sinnvoll werden hier betrachtet Kommunikationsverbindungen zwi schen I/O-Netzwerkknoten IO. Es resultieren damit neun Kommunikations verbindungen KV1 , ..., KV9, die in Fig. 3 als gestrichelte Linien angedeutet sind.
Da Informationen über die Simulationsapplikationen 5 und etwaige Hard wareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO nicht herangezogen werden (können), wird hier mit den Maximalwerten für die Knotendatenra ten und die Knotenlatenzen eine Ermittlung der entsprechenden Erwar tungswerte vollzogen. In den Kommunikationsverbindungen KV werden die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten E-DVDR der Datenver bindungen DV gewonnen durch Summierung der Datenübertragungsraten der angeschlossenen Netzwerkknoten. Beispielsweise laufen die I/O- Netzwerkknoten 101 , I02 und I03 in dem Kommunikations-Netzwerkknoten R1 zusammen. Im ungünstigsten Fall kommunizieren alle I/O- Netzwerkknoten 101 , I02, I03 über den Kommunikations-Netzwerkknoten R1 zu dem Rechen-Netzwerkknoten RK1. Für die Datenverbindung DV1 ergibt sich daher ein Erwartungswert für die Datenrate von 1 ,4 Gbps ("bps" bezeichnet nachfolgend immer "bits per second") als Summe aus den er warteten Knotendatenraten der I/O-Netzwerkknoten 101 , I02, I03. Die Er wartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR der I/O-Netzwerkknoten 101 , I02 und I03 sind, wie bereits ausgeführt, Maximalwerte. Als Erwar tungswert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate E-KVDR der Kommunikationsverbindung KV2 ergibt sich daher ebenfalls ein Maximal wert von 1 ,4 Gbps.
Als Grenzwert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate G-KVDR der Kommunikationsverbindung KV2 wird die kleinste Kanalkapazität der betei ligten Datenverbindungen herangezogen. Da alle beteiligten Datenverbin dungen eine Kanalkapazität von 1 ,2 Gbps haben, ist dies auch der Grenz wert für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate der Kommunikations verbindung KV2. Die Grenzwerte für die Datenübertragungsraten G-DVDR der Datenverbindungen DV0 bis DV8 werden entsprechend gewählt, sie entsprechen also den jeweiligen Kanalkapazitäten.
Im Bewertungsschritt BS wird gefordert, dass der Erwartungswert E-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten den Grenzwert G-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten nicht überschreiten darf. Diese Bedingung ist für die Kommunikationsverbindung KV2 nicht erfüllt. Im Übrigen ist sie auch für weitere Kommunikationsverbindungen nicht erfüllt, die in der tabellarischen Auflistung aus Gründen der Übersicht jedoch aus gelassen worden sind. Durch Vergleich der Erwartungswerte E-DVDR für die Datenübertragungsraten der beteiligten Datenverbindungen mit den Grenzwerten G-DVDR für die Datenübertragungsraten der beteiligten Da tenverbindungen wird ersichtlich, dass die Ursache für die kritische Einstu fung der Kommunikationsverbindung KV2 die Datenverbindung DV1 ist. Der Umstrukturierungsschritt U1 zur Beseitigung der kritischen Kommuni kationsverbindung KV2 besteht hier darin, dass die Datenverbindung DV1 funktional erweitert wird, indem sie durch eine Datenverbindung ersetzt wird, die eine mehr als doppelt so große Kanalkapazität von 2,5 Gbps hat. Das Gleiche gilt für die Datenverbindung DV2, was hier im Einzelnen nicht erörtert ist.
Als zweite Umstrukturierungsmaßnahme U2 wird vorgeschlagen, die Funk tionalität der I/O-Netzwerkknoten I02 und I03 zu reduzieren, nämlich durch Drosselung der maximal erlaubten Datenrate auf jeweils 400 Mbps. Auch diese Maßnahme macht keine Änderung der Topologie des in Fig. 3 darge stellten Simulationsnetzwerks 2 erforderlich.
In den Fig. 5 und 6 ist eine zweite Variante des Verfahrens 1 zur Umstruktu rierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 gezeigt. Diese zweite Variante des Verfahrens 1 ist dadurch gekennzeich net, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und/oder die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO des Simulati onsnetzwerks 2 ermittelt werden unter Berücksichtigung von Simulations applikationen 5 der jeweiligen Netzwerkknoten und auch unter Berücksich- tigung etwaiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten RK, R, IO. Die Berücksichtigung dieser Informationen ermöglicht eine weitaus genaue re Abschätzung der verschiedenen Erwartungswerte, da nun Anhaltspunkte existieren, über die Erzeugungsraten von Daten und damit über das Daten aufkommen auf den Datenverbindungen DV. Gleichzeitig ist damit auch bekannt, wer Sender und wer Empfänger von Datenpaketen ist, sodass auch die Kommunikationsverbindungen KV exakt bestimmt werden können.
Das Simulationsnetzwerk gemäß Fig. 5 ist strukturell identisch mit dem Si mulationsnetzwerk gemäß Fig. 3, jedoch unterscheiden sich aufgrund der verschiedenen Vorgehensweise die Daten in der tabellarischen Übersicht gemäß Fig. 4 und der tabellarischen Übersicht gemäß Fig. 6 recht erheblich. Teilweise sind auch andere Vorgaben gemacht worden, sodass die Ausfüh rungsbeispiele nicht ohne Weiteres vergleichbar sind. Die Ausführungsbei spiele sind also jeweils für sich zu sehen. Die Topologieinformationen 6 sind im Grunde vergleichbar mit dem zuvor behandelten Ausführungsbei spiel. Jedoch sind erheblich weniger Kommunikationsverbindungen KV vorhanden, nämlich insgesamt nur sechs Kommunikationsverbindungen KV1 bis KV6. In dem tabellarischen Überblick ist die Kommunikationsver bindung KV4 aus Platzgründen nicht dargestellt.
Bei der Berücksichtigung der Simulationsapplikationen 5 ist insbesondere vorgesehen, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und/oder für die Knotenlatenzen E-KL ermittelt werden unter Berücksichti gung der Rechenschrittweite TS von periodischen Tasks und angenomme ner Aufrufraten und Bearbeitungsdauern von aperiodischen Tasks. Auch wird berücksichtigt die Größe von berechneten und verschickten Datenpa keten in Tasks der Simulationsapplikationen 5, die Konfiguration von I/O- Funktionen der I/O-Netzwerkknoten IO und die Aufrufrate und die Größe bearbeiteter I/O-Datenpakete. Im Ergebnis ist festzustellen, dass erheblich kleinere Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und auch für die Datenverbindungsdatenraten E-DVDR resultieren, da die betroffenen Netzwerkknoten RK, R, IO in ihrer Funktionalität tatsächlich nicht vollstän dig ausgelastet werden. Die Erwartungswerte für die Datenübertragungsra ten E-DVDR der Datenverbindungen DV sind ähnlich ermittelt worden, wie dies anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist, nämlich durch Be trachtung der Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR, mit denen die beteiligten Netzwerkknoten 4 in die beteiligte Datenverbindung DV ein speisen. Die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs- Latenzen E-KVDR sind ebenfalls durch Summenbildung der Latenzen der beteiligten Netzwerkknoten 4 ermittelt worden. Auf Grundlage der so ermittelten Daten wird eine kritische Kommunikati onsverbindung KV3 ermittelt. Hier ist der Erwartungswert E-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate etwas größer als der korrespondie rende Grenzwert G-KVDR für die Kommunikationsverbindungs-Datenrate. Als Lösungsmöglichkeit wird hier angeboten - und ggf. auch automatisch um gesetzt - die Knotendatenraten der I/O-Netzwerkknoten 102 und 103 um jeweils 25 % zu reduzieren, indem nämlich die von den I/O-Netzwerkknoten durchgeführte Analog/Digital-Wandlung auf eine geringere Auflösung ge setzt wird, nämlich von 16 Bit auf 12 Bit (siehe entsprechenden Eintrag in der Spalte U1 ). Diese Maßnahme zieht keine strukturelle Änderung in der Topologie des Simulationsnetzwerks 2 nach sich.
Ein anderer Vorschlag für eine Umstrukturierung U2 besteht darin, dass der I/O-Netzwerkknoten I03 nicht über den Kommunikations-Netzwerkknoten R1 mit dem Rechen-Netzwerkknoten RK 2 verbunden wird, sondern viel mehr über eine umgelegte Datenverbindung DV6, die den I/O- Netzwerkknoten I03 mit dem Kommunikations-Netzwerkknoten R2 verbin det. Die dadurch auf der Datenverbindung DV3 entstehende zusätzliche Datenübertragungsrate führt zu keiner unzulässigen Auslastung der Daten verbindung DV3, die Grenzwerte G-KVDR für die entsprechenden Kommu- nikationsverbindungs-Datenraten werden dann bei Weitem noch nicht er reicht.
In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere, dritte Variante des computerimplemen tierten Verfahrens 1 zur Umstrukturierung U eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks 2 gezeigt. Das in Fig. 7 dargestellte Simula tionsnetzwerk 2 entspricht praktisch vollständig dem in Fig. 5 dargestellten Simulationsnetzwerk 2, einschließlich der auf den Rechen-Netzwerkknoten RK1 , RK2 ausgeführten Simulationsapplikationen 5. Zusätzlich dargestellt ist hier jedoch ein Rechner 7, auf dem das Verfahren 1 programmiertech nisch umgesetzt ist. Der Rechner 7 ist mit dem Simulationsnetzwerk 2 über eine Datenverbindung DVR verbunden. Bei den in den Fig. 3 und 5 darge stellten Simulationsnetzwerken 2 könnte das Verfahren 1 auch auf einem wie in Fig. 7 dargestellten Rechner 7 ausgeführt werden. Der Rechner 7 ist in den anderen Figuren nicht dargestellt, um die Darstellungen nicht unnö tig zu verkomplizieren.
Die in den Fig. 7 und 8 behandelte Variante des Verfahrens 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten E-KDR und für die Knotenlatenzen E-KL für die Netzwerkknoten RK, R, IO durch Messung im Simulationsnetzwerk 2 ermittelt werden. Die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten der Datenverbindungen E-DVDR werden rechnerisch aus den zuvor genannten Erwartungswerten - wie schon zuvor erläutert - ermittelt, sie basieren daher aber auch auf den durchgeführten Messungen.
Im vorliegenden Fall werden die Messungen im Betrieb des Simulations netzwerks 2 durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass auch Effekte wie Da tenkollisionen auf den Datenverbindungen DV bzw. den Kommunikations verbindungen KV berücksichtigt werden, die insgesamt zu einer Verzöge rung der Datenübermittlung führen und auch zu einem erhöhten Datenauf kommen, da Datenpakete möglicherweise mehrfach verschickt werden müssen. Dadurch wird eine besonders realistische Einschätzung der Aus lastung des Simulationsnetzwerks 2 gewonnen.
Auch die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten E-KVDR und die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs- Latenzen E-KVL werden durch Messungen ermittelt, vorliegend durch eine Messung im Betrieb des Simulationsnetzwerks 2. Dass die Erwartungswer te auch für die Kommunikationsverbindungen gemessen werden, ist in der Tabelle in Fig. 8 dadurch ersichtlich, dass die Erwartungswerte bezüglich der Kommunikationsverbindung KV sich nicht immer summarisch aus den Erwartungswerten der beteiligten Knoten ergeben.
Die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen E-KVL werden gemessen, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten RK, R, IO des S im u lationsnetzwerks 2 eingerichtet wird, indem jeder sen dende Netzwerkknoten RK, R, IO das von ihm verschickte Datum bzw. Da tenpaket mit einem Versand-Zeitstempel versieht und indem der letzte empfangende Netzwerkknoten RK, R aus der von ihm ermittelten Emp fangszeit und durch Auswertung des Versand-Zeitstempels den Erwar tungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz E-KVL der entspre chenden Kommunikationsverbindung KV2 berechnet, vorliegend aus be reits genannten Gründen während des Betriebs des Simulationsnetzwerks 2, also bei Ausführung der Simulationsapplikationen auf den Rechen- Netzwerkknoten RK1 , RK2. Im vorliegenden Fall sind die Abweichungen zwischen den ermittelten Erwartungswerten gemäß Fig. 5 und den gemes senen Erwartungswerten gemäß Fig. 7 verhältnismäßig gering, sodass die selben kritischen Kommunikationsverbindungen KV ermittelt werden, die auch mit denselben Maßnahmen beseitigt werden können.
Zur Messung der Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs- Datenraten E-KVDR werden die Korn m un ikations-Netzwerkknoten R1 , R2 jeweils mit einer Beobachtungs-Anwendung ausgestattet, die den Daten durchsatz statistisch erfasst und entsprechende Informationen zur Auswer tung dann an den Rechner 7 schickt, wo entsprechende Erwartungswerte durch Auswertung der Statistiken ermittelt werden können. Der Vorteil die ser Lösung besteht darin, dass keine zusätzliche Infrastruktur erforderlich ist, jedoch ist zu berücksichtigen, dass die Ausführungen der Beobach tungs-Anwendungen je nach Art der Realisierung einen - wenn auch gerin gen - Einfluss auf den Echtzeitdatentransfer haben kann.
Bezugszeichen
1 Verfahren
2 Echtzeit-Simulationsnetzwerk
3 HIL-Simulator
4 Netzwerkknoten
5 Simulationsapplikation
6 Topologieinformationen
7 Rechner
8 Steuergeräte
RK Rechen-Netzwerkknoten
R Kommunikations-Netzwerkknoten, Router
IO I/O-Netzwerkknoten
DV Datenverbindung zwischen Netzwerkknoten
DVR Datenverbindung zwischen Rechner und Simulationsnetzwerk KV Kommunikationsverbindung
E-KDR Erwartungswert Knotendatenrate
E-KL Erwartungswert Knotenlatenz
E-DVDR Erwartungswert Datenverbindung Datenübertragungsrate
G-DVDR Grenzwert Datenverbindung Datenübertragungsrate
E-KVDR Erwartungswert Kommunikationsverb. Datenübertragungsrate G-KVDR Grenzwert Kommunikationsverbindung Datenübertragungsra-
E-KVL Erwartungswert Kommunikationsverbindung Latenz
G-KVL Grenzwert Kommunikationsverbindung Latenz
TS Rechenschrittweite periodischer Tasks

Claims

Patentansprüche
1. Computerimplementiertes Verfahren (1 ) zur Umstrukturierung (U) eines vorgegebenen verteilten Echtzeit-Simulationsnetzwerks (2), wobei das Simulationsnetzwerk (2) mehrere Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und mehrere Datenverbindungen (DV) aufweist, wobei jeder Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) mindestens eine Datenverbindungsschnittstelle aufweist zum Anschluss einer Datenverbindung (DV), wobei die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) über die Datenverbindungen (DV) zumindest teilweise in Kommuni kationsverbindung (KV) stehen, und wobei im Betrieb des Simulationsnetz- werks (2) auf wenigstens einem Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) eine Simu lationsapplikation (5) ausgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Topologie des Simulationsnetzwerks (2) erfasst wird, sodass Topo logieinformationen (6) über die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und die Da- tenverbindungen (DV) zwischen den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) vorlie gen, dass für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) Erwartungswerte für Knotendatenraten (E-KDR) und/oder Knotenlatenzen (E-KL) ermittelt werden, dass für die Datenverbindungen (DV) Erwartungswerte für die Datenüber tragungsraten (E-DVDR) ermittelt werden, dass Kommunikationsverbindungen (KV) zwischen den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) ermittelt werden, dass für die Kommunikationsverbindungen (KV) auf Grundlage der Erwar- tungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder für die Knotenla tenzen (E-KL) und/oder für die Datenübertragungsraten (E-DVDR) der an der Kommunikationsverbindung beteiligten Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und Datenverbindungen (DV) Erwartungswerte für Kommunikationsverbin- dungs-Datenraten (E-KVDR) und/oder Kommunikationsverbindungs- Latenzen (E-KVL) ermittelt werden, dass für die Kommunikationsverbindungen (KV) Grenzwerte für die Kom- munikationsverbindungs-Datenraten (G-KVDR) und/oder für die Kommuni- kationsverbindungs-Latenzen (G-KVL) ermittelt werden, und für die Daten verbindungen (DV) Grenzwerte für die Datenübertragungsraten (G-DVDR) ermittelt werden, dass in einem Bewertungsschritt (B) kritische Kommunikationsverbindun gen (KV) ermittelt werden, indem die ermittelten Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Datenraten (E-KVDR) und/oder Kommunika- tionsverbindungs-Latenzen (E-KVL) und/oder Datenübertragungsraten (E- DVDR) mit den Grenzwerten für die Kommunikationsverbindungs- Datenraten (G-KVDR) und/oder Kommunikationsverbindungs-Latenzen (G- KVL) und/oder Datenübertragungsraten (G-DVDR) der betreffenden Kom munikationsverbindung (KV) verglichen werden und dass in einem Umstrukturierungsschritt (U) das vorgegebene Simulations netzwerk (2) so umstrukturiert wird, dass kritische Kommunikationsverbin dungen (KV) reduziert werden.
2. Verfahren (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Topologie des Simulationsnetzwerkes (2) gewonnen wird durch Aufrufen von auf den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerkes (2) implementierten Informationsdiensten, die bei Aufruf Informationen darüber zurückliefern, mit welchen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) sie unmittelbar verbunden, insbesondere über welche Datenverbindung (DV) sie mit wel chen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) unmittelbar verbunden sind, oder dass die Topologie des Simulationsnetzwerks (2) gewonnen wird durch Einlesen einer Datei mit den Topologie-Informationen (6) des vorgegebenen Simula tionsnetzwerks (2).
3. Verfahren (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Umstrukturierungsschritt (U) die kritischen Kommunikationsverbin dungen (KV) im vorgegebenen Simulationsnetzwerk (2) reduziert werden,
- indem im vorgegebenen Simulationsnetzwerk (2) zumindest teilweise un ter Beibehaltung der Topologie des Simulationsnetzwerks (2)
- die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) funktional erweitert und/oder funktional reduziert werden und/oder
- die Datenverbindungen (DV) funktional erweitert und/oder funktional reduziert werden und/oder
- die Kommunikationsverbindungen (KV) zwischen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) anders geführt werden und/oder
- indem das vorgegebene Simulationsnetzwerk (2) zumindest teilweise un ter Veränderung der Topologie des Simulationsnetzwerks (2)
- um wenigstens einen zusätzlichen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und um wenigstens eine zusätzliche Datenverbindung (DV) erweitert und/oder um wenigstens einen bestehenden Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und um wenigstens eine bestehende Datenverbindung redu ziert wird.
4. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten (E- DVDR) der Datenverbindungen (DV) gewonnen werden durch Summierung der Datenraten (E-KDR) der angeschlossenen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO).
5. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass als Grenzwerte für die Datenübertragungsraten (G-DVDR) der Datenverbindungen (DV) die Kanalkapazitäten der Datenverbindungen (DV) herangezogen werden.
6. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder die Knotenlatenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) ermittelt werden aufgrund der Hardwarespe zifikationen der Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2), insbesondere ohne Berücksichtigung von Simulationsapplikationen (5) des jeweiligen Netzwerkknotens (4, RK, R, IO), insbesondere ohne Berück- sichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen des Netzwerkknotens (4, RK, R, IO).
7. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass worst-case Erwartungswerte für die Knotendatenraten (E- KDR) und/oder für die Knotenlatenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) ermittelt werden, indem Maximal werte der Knotendatenraten und/oder der Knotenlatenzen für die Erwar tungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder die Knoten latenzen (E-KL) herangezogen werden.
8. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass aus einer Mehrzahl an funktionsfähig konfigurierten Echtzeit-
Simulationsnetzwerken Mittelwerte für tatsächliche Knotendatenraten und/oder Knotenlatenzen für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simu lationsnetzwerks (2) ermittelt werden und diese Mittelwerte als Erwar tungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder für die Knotenla- tenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetz werks (2) gewählt werden.
9. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder die Knotenlatenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) ermittelt werden unter Berücksichtigung von Simulationsapplikationen (5) der jeweiligen Netzwerkknoten (4, RK, R, IO), insbesondere unter Berücksichtigung etwaiger Hardwareparametrierungen der Netzwerkknoten (4, RK, R, IO).
10. Verfahren (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder für die Kno- tenlatenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) ermittelt werden unter Berücksichtigung der Rechenschrittweite (TS) von periodischen Tasks und/oder angenommener Aufrufraten und Bearbeitungsdauern von aperio dischen Tasks, der Größe von berechneten und verschickten Datenpaketen in Tasks, der Konfiguration von I/O-Funktionen, insbesondere der Aufrufrate und der Größe bearbeiteter I/O-Datenpakete.
11. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Erwartungswerte für die Knotendatenraten (E-KDR) und/oder für die Knotenlatenzen (E-KL) für die Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) und/oder die Erwartungswerte für die Datenübertragungsraten (E- DVDR) der Datenverbindungen (DV) des Simulationsnetzwerks (2) ermittelt werden durch Messung im Simulationsnetzwerk (2).
12. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für Kommunikationsverbin- dungs-Datenraten (E-KVDR) und/oder Kommunikationsverbindungs- Latenzen (E-KVL) ermittelt werden durch Messung im Betrieb des Simulati onsnetzwerks (2).
13. Verfahren (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen (E-KVL) gemessen werden, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) eingerichtet wird, indem jeder sendende Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) das von ihm verschickte Datum mit einem Versand-Zeitstempel versieht und indem der letzte empfangende Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) aus der von ihm ermittelten Empfangszeit und durch Auswertung des Versand-Zeitstempels den Erwartungswert für die Kommunikationsverbindungs-Latenz (E-KVL) der entsprechenden Kommunikationsverbindung (KV) berechnet, insbesondere während des Betriebes des Simulationsnetzwerkes (2), also bei Ausführung der Simula tionsapplikationen (5) auf den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO).
14. Verfahren (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte für die Kommunikationsverbindungs-Latenzen (E-KVL) gemessen werden, indem eine synchrone Uhrzeit für alle Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) eingerichtet wird, indem eine Echofunktionalität in den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulations netzwerks (2) implementiert wird und indem der im Betrieb des Simulati onsnetzwerks (2) empfangende Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) oder der sendende Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) einer Kommunikationsverbindung (KV) an den im Betrieb des Simulationsnetzwerks (2) entsprechend sen denden Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) oder den empfangenden Netzwerk knoten (4, RK, R, IO) ebendieser Kommunikationsverbindung (KV) eine Echo-Aufforderung sendet und der die Echo-Aufforderung sendende Netz- werkknoten (4, RK, R, IO) nach Empfang des Echosignals die Echoumlauf zeit bestimmt und daraus den Erwartungswert für die Kommunikationsver- bindungs-Latenz (E-KVL) ermittelt, insbesondere wobei das Simulations netzwerk (2) während Durchführung des Echoverfahrens nicht betrieben wird, also die Simulationsapplikationen (5) auf den Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) nicht ausgeführt werden.
15. Verfahren (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass das Verfahren auf einem Rechner (7) ausgeführt wird, der mit dem Simulationsnetzwerk (2) über eine Datenverbindung (DVR) ver- bunden ist, oder dass das Verfahren (1 ) auf einem als Rechen- Netzwerkknoten (RK) ausgebildeten Netzwerkknoten (4, RK, R, IO) des Simulationsnetzwerks (2) ausgeführt wird.
16. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausfüh rung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Ver- fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
17. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.
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