DE102010000995B3

DE102010000995B3 - Increasing the real-time capability of Ethernet networks

Info

Publication number: DE102010000995B3
Application number: DE102010000995A
Authority: DE
Inventors: Harald Karl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: WO2011088956A1; RU2012135470A; CN102714612A; EP2526654A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung. Um unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen, wird vorgeschlagen, das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete zu segmentieren und am Empfänger wieder zusammenzufügen. Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellen – natürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße – werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert als durch lange, unsegmentierte Ethernetpakete.The invention relates to a method for transmitting at least one Ethernet packet between a transmitter and a receiver, a device for carrying out a method according to the invention and a network device with such a device. In order to achieve a high level of real-time capability and deterministic using IEEE802.3-compliant network components, it is proposed to segment the respective Ethernet packet at the transmitter into a number of Ethernet packets called Ethernet networks and to reassemble them at the receiver. By segmenting the Ethernet packets in Ethernet networks - of course, with a length significantly smaller than the maximum packet size - high-priority real-time packets are delayed significantly shorter than by long, unsegmented Ethernet packets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a method for transmitting at least one Ethernet packet between a transmitter and a receiver, a device for carrying out a method according to the invention and a network device with such a device.

Ein derartiges Verfahren bzw. derartige Vorrichtungen kommen insbesondere auf dem Gebiet der industriellen Kommunikation, z. B. in Fertigungsanlagen, zum Einsatz, bei der zunehmend ethernet-basierte Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Die Umstellung von bisherigen Feldbussen (z. B. Profibus, Interbus) auf Ethernet als Feldbus wird aber dadurch erschwert, dass ein normkonformes Ethernet nach IEEE802.3 in vielen Fällen die Anforderungen an die Deterministik und Echtzeitfähigkeit nicht erreicht. Der Grund für das schlechte deterministische Verhalten von Ethernet nach IEEE802.3 ist die stark schwankende Paketgröße zwischen 64 Bytes und 1522 Bytes (mit VLAN-Tag, jeweils ohne Präambel und SFD, „Start Frame Delimiter”), wobei das Hauptproblem bezüglich der Echtzeitfähigkeit die maximale Paketgröße von ca. 1500 Bytes ist. Wurde der Sendevorgang für ein Paket angestoßen, so kann er nicht mehr unterbrochen werden. Die langen Ethernetpakete blockieren daher einen Übertragungskanal für relativ lange Zeit und verzögern dadurch auch hochpriore Pakete. So belegt ein Ethernetpaket das Übertragungsmedium bei einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s für ca. 125 μs. Kurz danach zum Senden bereite Pakete, auch mit einer höheren Priorität, werden daher solange verzögert, bis das alte Paket vollständig gesendet wurde.Such a method or such devices are particularly useful in the field of industrial communication, for. As in manufacturing plants, are used in the increasingly Ethernet-based communication protocols. The conversion from previous fieldbuses (eg Profibus, Interbus) to Ethernet as fieldbus is made more difficult by the fact that a standard compliant Ethernet according to IEEE802.3 does not meet the requirements for deterministic and real-time capability in many cases. The reason for the poor deterministic behavior of Ethernet according to IEEE802.3 is the strongly fluctuating packet size between 64 bytes and 1522 bytes (with VLAN tag, each without preamble and SFD, "Start Frame Delimiter"), the main problem with regard to the real-time capability maximum packet size is about 1500 bytes. If the send process for a package has been triggered, it can no longer be interrupted. The long Ethernet packets therefore block a transmission channel for a relatively long time and thereby also delay high-priority packets. For example, an Ethernet packet occupies the transmission medium at a transmission rate of 100 Mbit / s for approx. 125 μs. Packets that are ready to send sooner, even with a higher priority, are therefore delayed until the old packet has been completely sent.

Das Problem wird dadurch weiter verschärft, dass die Verzögerung nicht nur am Netzwerkteilnehmer (Netzwerkgerät, Endgerät), sondern auch an jedem Netzwerkknoten (z. B. Switch) auftritt. Gerade bei der installationsfreundlichen Linientopologie ergeben sich dadurch hohe maximale Verzögerungszeiten, bei 100 Geräten in Reihe z. B. 12,5 ms. Die Übertragungsdauer für ein Paket kann dann zwischen 0 und 12,5 ms schwanken, für viele Echtzeitanwendungen zu viel.The problem is aggravated by the fact that the delay occurs not only at the network user (network device, terminal) but also at each network node (eg switch). Especially with the installation-friendly line topology, this results in high maximum delay times, with 100 devices in series z. B. 12.5 ms. The transmission time for a packet can then fluctuate between 0 and 12.5 ms, too much for many real-time applications.

Bei Anwendungen, bei welchen die Deterministik und Echtzeitfähigkeit von IEEE802.3-basierten industriellen Netzwerkprotokollen (wie Ethernet-IP, PROFINET IRT) nicht ausreicht, wurden ethernet-basierte Netzwerkprotokolle definiert, welche nicht mehr kompatibel zu IEEE802.3 sind und damit auch für die Netzwerkkomponenten (Switches) spezielle Komponenten benötigen. Die dafür notwendigen Geräte sind bei weitem nicht so leistungsfähig und flexibel wie Standardkomponenten gemäß IEEE802.3; außerdem sind diese Komponenten teurer, und es wird meist zusätzlich eine spezielle Netzwerkkonfiguration und Netzwerkprojektierung benötigt. Diese Nachteile behindern die Verbreitung von Ethernet in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Deterministik und Echtzeitfähigkeit. Die Deterministik erreichen die echtzeitfähigen Protokolle heute durch eine hochgenaue Zeitsynchronisation aller Teilnehmer. Entweder wird durch die Zeitsynchronisation ein Zeitmultiplex realisiert (PROFINET IRT, Zeitphasen für die Echtzeitprotokolle und für die anderen Protokolle) oder es werden Zeitstempel in die Protokolle eingebaut (Ethernet-IP, Ethercat). Das Ethernet-Protokoll an sich bleibt jedoch unverändert. Diese proprietären Varianten von Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...), die sich damit behelfen, dass der zeitliche Zugang der Netzwerkteilnehmer auf das Übertragungsmedium geplant wird, benötigen also eine spezielle Hardware in den Netzwerkknoten und Netzwerkteilnehmern und verwenden ein Protokoll, welches inkompatibel zu IEEE802.3 ist.For applications in which the deterministic and real-time capability of IEEE802.3-based industrial network protocols (such as Ethernet-IP, PROFINET IRT) is not sufficient, Ethernet-based network protocols have been defined which are no longer compatible with IEEE802.3 and therefore also for the Network components (switches) need special components. The necessary devices are far from as powerful and flexible as standard components according to IEEE802.3; In addition, these components are more expensive, and it usually requires in addition a special network configuration and network configuration. These disadvantages hinder the spread of Ethernet in applications with high demands on determinism and real-time capability. The deterministic reach the real-time capable protocols today by a highly accurate time synchronization of all participants. Either a time division multiplex is realized by the time synchronization (PROFINET IRT, time phases for the real time protocols and for the other protocols) or time stamps are built into the protocols (Ethernet IP, EtherCAT). The Ethernet protocol itself remains unchanged. These proprietary variants of Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...), which ensure that the temporal access of the network participants to the transmission medium is planned, thus require special hardware in the network nodes and network participants and use a protocol, which is incompatible with IEEE802.3.

Aus US 7 080 012 B2 ist es bekannt, Sprachdaten in einem Ethernet-Netzwerk zu versenden, wobei die Ethernet-Frames bei Vorliegen von Sprachdaten in Pakete mit einer Länge fragmentiert werden, die von der Übertragungsrate des Netzwerks abhängt, so dass die Sprachdaten kaum verzögert werden.Out US Pat. No. 7,080,012 B2 It is known to send voice data in an Ethernet network, wherein the Ethernet frames are fragmented in the presence of voice data in packets with a length that depends on the transmission rate of the network, so that the voice data is hardly delayed.

Aus US 7 224 703 B2 ist es bekannt, niederpriore Datenpakete zu segmentieren, um eine Verzögerung bei der Übertragung von höherprioren Datenpaketen zu verringern.Out US Pat. No. 7,224,703 B2 It is known to segment low-priority data packets in order to reduce a delay in the transmission of higher-priority data packets.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen.The invention has for its object to achieve a high degree of real-time capability and deterministic using IEEE802.3-compliant network components.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete mittels einer Ethernetzellen-Einheit segmentiert wird,

– wobei die MAC-Adressen und ein ggf. vorhandener VLAN-Tag des Ethernetpaketes für die Ethernetzellen übernommen werden,
– wobei ein EtherType-Parameter und die Nutzdaten des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen der Reihe nach eingetragen werden,
– wobei sich die Anzahl von Ethernetzellen aus der Menge der Nutzdaten und der Größe der Datenbereiche ergibt,
– wobei die Ethernetzellen dem jeweiligen Ethernetpaket zuordenbar gekennzeichnet werden,
– wobei in jeder Ethernetzelle die Anzahl der in den jeweiligen Datenbereichen mit Nutzdaten belegten Bytes vermerkt wird und
– wobei jede Ethernetzelle durch einen EtherType-Parameter als Ethernetzelle ausgewiesen wird,

und dass das Ethernetpaket am Empfänger aus der Anzahl von Ethernetzellen mittels einer Ethernetzellen-Einheit zusammengefügt wird.This object is achieved in a method of the type mentioned above in that the respective Ethernet packet is segmented at the transmitter into a number of Ethernet networks called Ethernet packets by means of a Ethernet cell unit,

- whereby the MAC addresses and a possibly existing VLAN tag of the Ethernet packet for the Ethernet networks are adopted,
In which an EtherType parameter and the user data of the Ethernet packet are entered in the data areas of the Ethernet networks in sequence,
- where the number of Ethernet networks results from the amount of user data and the size of the data areas,
In which the Ethernet networks are identified as being assignable to the respective Ethernet packet,
- In each Ethernet network, the number of bytes occupied in the respective data areas with user data bytes is noted, and
Where each Ethernet network is identified by an EtherType parameter as the Ethernet network,

and that the Ethernet packet at the receiver is assembled from the number of Ethernet networks by means of an Ethernet network unit.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine derartige Ethernetzellen-Einheit sowie ein Netzwerkgerät mit den in Anspruch 6 bzw. Anspruch 7 angegebenen Merkmalen.The object is further achieved by such an Ethernet cell unit and a network device having the features specified in claim 6 or claim 7.

Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellennatürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße – wird der eigentliche Grund des Problems, die langen Ethernetpakete, beseitigt. Diese kurzen Ethernetzellen können jetzt von einem normalen IEEE802.3-konformen Netzwerk verarbeitet werden; aufgrund der jetzt geringen Paketlänge werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert. Zudem benötigt das Verfahren im Gegensatz zu heutigen ethernet-basierten Echtzeitprotokollen kein spezielles Netzwerkmanagement, sondern nur eine geringfügige Modifikation der Endgeräte.By segmenting the Ethernet packets into Ethernet networks, of course, with a length significantly smaller than the maximum packet size, the root cause of the problem, the long Ethernet packets, is eliminated. These short Ethernet networks can now be processed by a standard IEEE802.3 compliant network; Due to the now small packet length, high-priority real-time packets are delayed much shorter. In addition, in contrast to today's ethernet-based real-time protocols, the method does not require any special network management, but only a minor modification of the terminals.

Maßgeblich für den Prozess der Segmentierung und des Zusammenfügens ist eine eindeutige Kennung für die Kommunikationsbeziehung zwischen dem Sender und dem Empfänger, die in Ethernet schon durch die Source- und Destination-MAC-Adresse bereitgestellt wird. Um ein Echtzeitverhalten zu erreichen, müssen mindestens zwei Prioritätsklassen bereitgestellt werden, eine für nieder- und eine für hochpriore Telegramme. Für die Prioritätsklassen werden die Prioritätsbits im VLAN-Tag benutzt (IEEE802.1Q).Decisive for the process of segmentation and assembly is a unique identifier for the communication relationship between the sender and the receiver already provided in Ethernet by the source and destination MAC address. To achieve real-time behavior, at least two priority classes must be provided, one for low and one for high-priority telegrams. For the priority classes, the priority bits in the VLAN tag are used (IEEE802.1Q).

Die Ethernetzelle enthält Informationen über die Lage der Zelle im Paket – z. B. erste, letzte oder dazwischen; es gibt aber auch andere Segmentierungsverfahren – so dass die Ethernetzellen-Einheit am Empfänger weiß, wann die Übertragung des Paketes vollständig ist. Zudem ist eine Information über die Anzahl der Bytes im Datenbereich vorhanden, die mit Nutzdaten belegt sind, da dieser (bei der letzten Zelle) nicht voll belegt sein muss und die übrigen Bytes z. B. mit „0” aufgefüllt werden.The Ethernet cell contains information about the location of the cell in the package - eg. Eg first, last or in between; however, there are also other segmentation methods - so that the Ethernet network unit at the receiver knows when the transmission of the packet is complete. In addition, there is information about the number of bytes in the data area, which are occupied by user data, as this (in the last cell) must not be fully occupied and the remaining bytes z. B. be filled with "0".

Das Verfahren zum Segmentieren und Zusammenfügen ist so konstruiert, dass die Weiterleitung der Pakete (bzw. der Zellen) über in normales IEEE802.3-konformes Netzwerk möglich ist, so dass für das Netzwerk handelsübliche IEEE802.3-konforme Netzwerkkomponenten verwendet werden können. Dies bedeutet für den Anwender deutlich niedrigere Kosten und eine deutlich höhere mögliche Bandbreite. Aktuelle Echtzeitimplementierungen von Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...) sind zumeist auf eine Bandbreite von 100 Mbit beschränkt, der Ethernetstandard bietet inzwischen aber auch kostengünstig Bandbreiten von 1 Gbit oder 10 Gbit an. Die jetzt mögliche Verwendung von Netzwerkkomponenten mit hoher Bandbreite von 1 Gbit oder gar 10 Gbit ermöglicht eine Echtzeitfähigkeit, welche besser als die der heutigen speziellen Implementierungen ist.The segmentation and merging process is designed to allow the forwarding of the packets (or cells) over a normal IEEE802.3-compliant network so that commercial IEEE802.3-compliant network components can be used for the network. This means significantly lower costs and a significantly higher bandwidth for the user. Current real-time implementations of Ethernet (PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink ...) are mostly limited to a bandwidth of 100 Mbit, but the Ethernet standard now also offers low-cost bandwidths of 1 Gbit or 10 Gbit. The potential use of high-bandwidth 1Gb or even 10Gbps network components enables real-time capability that is better than today's specialized implementations.

Das Verfahren ist so konstruiert, dass keine spezielle Echtzeitkonfiguration des Netzwerkes notwendig ist. Für den Anwender zeigt sich das Netzwerk als ein IEEE802.3-konformes Standard-Ethernetnetzwerk. Durch diesen IEEE802.3-konformen Aufbau des Netzwerkes sind auch alle anderen Mechanismen und Protokolle von Standard-Ethernet, z. B. Redundanz und Netzwerkmanagement, nutzbar. Der Anwender kann Echtzeitkommunikation auch applikativ ohne explizites Echtzeitprotokoll nutzen. Er muss nur dafür sorgen, dass seine Echtzeittelegramme mit einer hohen Priorität versendet werden. Dadurch kann er die Beschränkungen der gängigen Echtzeitprotokolle in Hinblick auf die Verbindungsmöglichkeiten (z. B. Master/Slave bei PROFINET) umgehen.The method is designed so that no special real-time configuration of the network is necessary. For the user, the network presents itself as an IEEE802.3 compliant standard Ethernet network. Due to this IEEE802.3-compliant structure of the network, all other mechanisms and protocols of standard Ethernet, eg. B. redundancy and network management, usable. The user can also use real-time communication applicatively without an explicit real-time protocol. He just has to make sure that his real-time telegrams are sent with a high priority. This allows the user to avoid the limitations of common real-time protocols with regard to the connection options (eg master / slave with PROFINET).

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung wird auch die FCS des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen eingetragen. Auf diese Weise kann die Ethernetzellen-Einheit am Empfänger wieder das originale Paket rekonstruieren – inklusive „Frame Check Sequence” mit der 4 Byte langen CRC, „Cyclic Redundancy Check”. Übertragungsfehler und Segmentierungs-/Zusammenfügungsfehler werden durch die veränderte CRC des Originalpaketes offenbart, und es greifen die Ethernet-Standardmechanismen. (Die einzelnen Ethernetzellen weisen natürlich – standard-konform – ebenfalls eine FCS bzw. CRC auf.)In an advantageous embodiment of the embodiment, the FCS of the Ethernet packet is also entered into the data areas of the Ethernet networks. In this way, the Ethernetzellen unit at the receiver can reconstruct the original package again - including "Frame Check Sequence" with the 4-byte CRC, "Cyclic Redundancy Check". Transmission errors and segmentation / assembly errors are revealed by the changed CRC of the original packet, and the standard Ethernet mechanisms are used. (Of course, the individual Ethernet networks also have an FCS or CRC - in compliance with the standard).)

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Kennzeichnung für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes durch verschiedene EtherType-Parameter dargestellt. Auf diese Weise können die Informationen bereitgestellt werden, ohne dass hierfür Speicherplatz im ohnehin kleinen Datenbereich benötigt wird.In a further advantageous embodiment, the identifier for the assignment to the respective Ethernet packet and the number of bytes occupied by user data are represented by different EtherType parameters. In this way, the information can be provided without the need for storage space in the already small data area.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Kennzeichnung als für die Zuordnung zum jeweiligen Ethernetpaket sowie die Anzahl der mit Nutzdaten belegten Bytes in einer Variablen im Datenbereich der jeweiligen Ethernetzelle gespeichert. Bei dieser alternativen Ausgestaltung wird zwar 1 Byte des Datenbereichs mit der Variablen belegt, dafür genügt ein EtherType-Parameter zur Kennzeichnung des Ethernetpaketes als Ethernetzelle. Der Parameter kann z. B. als Segmentation/Reassembly-Status (SRS) bezeichnet werden und wird beispielsweise im ersten Byte des Datenbereiches der Ethernetzellen abgelegt.In a further advantageous embodiment, the identification as for the assignment to the respective Ethernet packet and the number of bytes occupied by user data are stored in a variable in the data area of the respective Ethernet network. Although in this alternative embodiment, 1 byte of the data area is occupied by the variable, an EtherType parameter is sufficient for the identification of the Ethernet packet as Ethernet network. The parameter can be z. Example, as segmentation / reassembly status (SRS) and is stored, for example, in the first byte of the data area of the Ethernet networks.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Ethernetpakete in Ethernetzellen mit minimal erlaubter Länge segmentiert. Durch diese Verkürzung auf 64 Bytes (ohne Präambel und SFD) ergibt sich jetzt nur noch eine Verzögerung von ca. 6 μs bei einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s (im Vergleich zu 125 μs bei einem maximalen Ethernetpaket). Selbst bei 100 Teilnehmern in einer Linie ergeben sich so nur noch 0,6 ms (statt 12,5 ms). Bei höheren Übertragungsraten verringern sich diese Verzögerungszeiten natürlich noch einmal deutlich.In a further advantageous embodiment, the Ethernet packets are segmented in Ethernet networks with a minimum allowable length. Due to this shortening to 64 bytes (without preamble and SFD), there is now only a delay of approx. 6 μs with a transmission rate of 100 Mbit / s (compared to 125 μs with a maximum Ethernet packet). Even with 100 participants in one line, this results in only 0.6 ms (instead of 12.5 ms). Of course, with higher transmission rates, these delay times are significantly reduced again.

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist bei einem erfindungsgemäßen Netzwerkgerät die erfindungsgemäße Ethernetzellen-Einheit zwischen PHY-Layer und MAC-Layer angeordnet. Der Vorgang der Segmentierung in kurze Ethernetzellen und des Zusammenfügens des ursprünglichen Ethernetpakets passiert logisch zwischen dem PHY- und dem MAC-Layer. Der MAC-Layer stellt in Senderichtung für jede Prioritätsklasse einen Sendedatenstrom zur Verfügung. Bei mindestens zwei Prioritätsklassen kann ein hochpriores Datenpaket ein bereits im Senden befindliches niederpriores Datenpaket überholen. In Empfangsrichtung empfängt die Ethernetzellen-Einheit die Ethernetzellen und merkt sich die schon empfangenen Bestandteile des Datenpaketes (des segmentierten Ethernetpaketes) in der Speichereinheit („Connection RAM”). Ist ein Datenpaket vollständig empfangen (d. h. alle Ethernetzellen des originalen Ethernetpaketes), so wird es an den MAC-Layer weitergeleitet.In an advantageous embodiment of the invention, in a network device according to the invention the Ethernet network unit according to the invention is arranged between PHY layer and MAC layer. The process of segmenting into short Ethernet networks and merging the original Ethernet packet logically happens between the PHY and MAC layers. The MAC layer provides a send data stream for each priority class in the send direction. With at least two priority classes, a high-priority data packet can overtake a lower-priority data packet already in transmission. In the receive direction, the Ethernet cell unit receives the Ethernet networks and remembers the already received components of the data packet (the segmented Ethernet packet) in the memory unit ("Connection RAM"). When a data packet is completely received (i.e., all the Ethernet networks of the original Ethernet packet), it is forwarded to the MAC layer.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die Figur zeigt:In the following, the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiment shown in the figure. The figure shows:

eine schematische Darstellung einer Ethernetzellen-Einheit in einer Netzwerkschnittstelle.a schematic representation of an Ethernet cell unit in a network interface.

Die Figur zeigt die Integration einer Ethernetzellen-Einheit 1 in den Datenfluss einer normalen Ethernet-Schnittstelle eines Netzwerkgerätes zwischen PHY-Layer 5 und MAC-Layer 6. Wichtig ist, dass die Ethernetzellen-Einheit 1 nur an den Teilnehmeranschaltungen des Netzwerks notwendig ist, das Netzwerk mit den Switches ist weiterhin vollkommen konform zur IEEE802.3.The figure shows the integration of an Ethernet cell unit 1 in the data flow of a normal Ethernet interface of a network device between PHY layers 5 and MAC layer 6 , It is important that the Ethernetzellen unit 1 only at the subscriber connections of the network is necessary, the network with the switches is still fully compliant with the IEEE802.3.

In Senderichtung stellt der MAC-Layer 6 für jede Prioritätsklasse einen Sendedatenstrom zur Verfügung. Bei mindestens zwei Prioritätsklassen – wie in der Darstellung – kann ein hochpriores Datenpaket ein bereits im Senden befindliches niederpriores Datenpaket überholen; werden keine Prioritätsklassen implementiert, so muss immer das gerade gesendete Datenpaket fertig gesendet werden. Die Sendeeinheit 2 der Ethernetzellen-Einheit 1 zerteilt jetzt die langen Ethernetpakete in die kurzen Ethernetzellen und sendet jeweils die Ethernetzelle mit der höchsten Priorität.In send direction represents the MAC layer 6 For each priority class, a transmission data stream is available. With at least two priority classes-as in the illustration-a high-priority data packet can overtake a lower-priority data packet already in transmission; If no priority classes are implemented, the data packet just sent must always be sent. The transmitting unit 2 the Ethernetzellen unit 1 now splits the long Ethernet packets into the short Ethernet networks and sends the highest priority Ethernet network.

In Empfangsrichtung empfängt die Empfängereinheit 3 der Ethernetzellen-Einheit 1 die Ethernetzellen und merkt sich die schon empfangenen Bestandteile des Datenpakets in der Speichereinheit 4 („Connection RAM”). Ist ein Datenpaket vollständig empfangen, so wird es an den MAC-Layer 6 weitergeleitet. Befindet sich im Netzwerk ein „normales” (langes, nicht segmentiertes) Ethernetpaket, so wird es direkt weitergeleitet. Normale Ethernetpakete beeinflussen zwar die Echtzeitfähigkeit des Netzwerks negativ, können aber trotzdem durch das Netzwerk mit Ethernetzellen-Einheiten 1 verarbeitet werden.In the receive direction, the receiver unit receives 3 the Ethernetzellen unit 1 the Ethernet networks and remembers the already received components of the data packet in the memory unit 4 ("Connection RAM"). If a data packet is completely received, it will be sent to the MAC layer 6 forwarded. If the network is a "normal" (long, non-segmented) Ethernet packet, it will be forwarded directly. Although normal Ethernet packets adversely affect the real-time capability of the network, they still can through the network with Ethernet network units 1 are processed.

Aufgrund der jetzt deutlich kürzeren Pakete im Netzwerk von z. B. der Mindestgröße für Ethernetframes von 64 Bytes (ohne Präambel und SFD) ergibt sich jetzt nur noch eine Verzögerung von ca. 6 μs/Knoten, also selbst bei 100 Teilnehmern in einer Linie nur 600 μs. Bis auf die Ethernetzellen-Einheiten 1 an den Teilnehmeranschaltungen ist die komplette restliche Netzwerkinfrastruktur IEEE802.3-konform. Jetzt ist auch die Prioritätssteuerung im VLAN-Tag wirksam, da die Prioritätsentscheidung nach jedem kurzen Paket getroffen werden kann.Due to the now much shorter packets in the network of z. For example, the minimum size for Ethernet frames of 64 bytes (without preamble and SFD) now results in only a delay of about 6 μs / node, so even with 100 participants in a line only 600 μs. Except for the Ethernet cell units 1 At the subscriber connections the complete remaining network infrastructure is IEEE802.3 compliant. Now the priority control in the VLAN tag is also effective, since the priority decision can be made after every short packet.

Die Ethernetzelle für sich ist ein vollständig IEEE802.3-konformes Paket mit einem festgelegten EtherType, welcher es als Ethernetzelle kennzeichnet. Die Nutzdaten enthalten den Segmentation/Reassembly-Status (SRS) und einen Teil der segmentierten Nutzdaten. Der SRS kann alternativ auch durch verschiedene EtherTypes realisiert werden. Für den Segmentation- und Reassembly-Prozess maßgeblich ist eine eindeutige Kennung für die Kommunikationsbeziehung zwischen dem Sender und dem Empfänger, die in Ethernet schon durch die Source- und Destination-MAC-Adressen bereitgestellt wird. Um ein Echtzeitverhalten zu erreichen, müssen mindestens zwei Prioritätsklassen bereitgestellt werden, eine für nieder- und eine für hochpriore Telegramme. Für die Prioritätsklassen werden die Prioritätsbits im VLAN-Tag benutzt (IEEE802.1Q). Ethernettelegramme(-pakete), die keinen VLAN-Tag aufweisen, werden von der Sendeeinheit 2 der Ethernetzellen-Einheit 1 natürlich auch in Ethernetzellen ohne VLAN-Tag segmentiert. Ethernetzellen (bzw. -pakete) ohne VLAN-Tag haben im Netzwerk die niedrigste Priorität. Der VLAN-Tag ist für die Segmentierung unerheblich, er wird nur für die Bevorzugung von Ethernettelegrammen(-paketen) wie z. B. RT-Telegrammen benötigt.The Ethernet network itself is a fully IEEE802.3-compliant package with a fixed EtherType that identifies it as an Ethernet network. The payload contains segmentation / reassembly status (SRS) and part of the segmented payload. The SRS can alternatively also be realized by different EtherTypes. The segmentation and reassembly process is governed by a unique identifier for the communication relationship between the sender and the receiver, which is already provided by the source and destination MAC addresses in Ethernet. To achieve real-time behavior, at least two priority classes must be provided, one for low and one for high-priority telegrams. For the priority classes, the priority bits in the VLAN tag are used (IEEE802.1Q). Ethernet message frames (packets) that do not have a VLAN tag are sent by the sending unit 2 the Ethernetzellen unit 1 Of course also segmented in Ethernet networks without VLAN tag. Ethernet networks (or packages) without a VLAN tag have the lowest priority in the network. The VLAN tag is irrelevant for the segmentation, it is only for the preference of Ethernet message (packets) such. B. RT telegrams needed.

Nachfolgend wird die Aufteilung eines Ethernet-Datenpakets mit 200 Bytes auf Ethernetzellen mit 64 Bytes erläutert. Die gewählte Segmentierung und der Aufbau des SRS sind nur exemplarisch. Das Ethernetpaket mit 200 Bytes Nutzdaten enthält zudem für die MAC-Quell- und Zieladressen je 6 Bytes, für den VLAN-Tag 4 Bytes, für den EtherType-Parameter 2 Bytes und nach den Nutzdaten weitere 4 Bytes für die Frame Check Sequence, FCS, bzw. die CRC, also insgesamt 222 Bytes. Diese neben den Nutzdaten für die Übertragung notwendigen Bytes sind natürlich auch bei den Ethernetzellen vorhanden, so dass bei einer einheitlichen Länge von 64 Bytes noch 42 Bytes für die Datenbereiche übrig bleiben, von denen 1 Byte von dem SRS belegt wird.The following section explains how to divide an Ethernet data packet of 200 bytes onto 64-byte Ethernet networks. The chosen segmentation and the structure of the SRS are only examples. The Ethernet packet with 200 bytes of user data also contains 6 bytes for the MAC source and destination addresses, 4 bytes for the VLAN tag, 2 bytes for the EtherType parameter, and 4 bytes for the frame check sequence, FCS, after the user data. or the CRC, ie a total of 222 bytes. These bytes, which are required in addition to the user data for the transmission, are naturally also present in the Ethernet networks, so that with a uniform length of 64 bytes, 42 bytes remain for the data areas, of which 1 byte is occupied by the SRS.

Der SRS enthält jetzt die Information über die Lage der Ethernetzelle im Paket („First”, „Body”, „Last”) und die Anzahl der Bytes, welche im Datenbereich übertragen werden. Dies ist notwendig, da der Datenbereich auch weniger als 41 Bytes enthalten kann und dann die restlichen Bytes mit „0” aufgefüllt werden („Padding”). In sechs Ethernetzellen werden die Nutzdaten, der EtherType-Parameter und die CRC des Originalpaketes verpackt (206 Bytes). Da die Datenbereiche von fünf Ethernetzellen minimaler Größe nur 205 Bytes aufnehmen können, transportiert die letzte Ethernetzelle daher nur 1 Byte anstatt 41 Bytes wie die vorangegangenen Zellen. Alternativ könnte auch die fünfte Ethernetzelle um ein Byte länger gemacht werden, da es für die erfindungsgemäße Lösung nicht notwendig ist, dass die Ethernetzellen eine einheitliche Länge mit einer Festanzahl von beispielsweise 64 Bytes haben. Die Zellen könnten z. B. zwischen 64 und 80 Bytes lang sein, womit sich immer noch eine hinreichend geringe Verzögerung für hochpriore Ethernettelegramme ergäbe.The SRS now contains the information about the location of the Ethernet network in the packet ("First", "Body", "Last") and the number of bytes that are transmitted in the data area. This is necessary because the data area can also contain less than 41 bytes and then the remaining bytes are padded with "0" ("Padding"). The user data, the EtherType parameter and the CRC of the original package are packed in six Ethernet networks (206 bytes). Because the data areas of five minimum-sized Ethernet networks can hold only 205 bytes, the last Ethernet network will therefore carry only 1 byte instead of 41 bytes as the previous cells. Alternatively, the fifth Ethernet network could also be made longer by one byte, since it is not necessary for the inventive solution that the Ethernet networks have a uniform length with a fixed number of, for example, 64 bytes. The cells could z. B. be between 64 and 80 bytes long, which would still be a sufficiently low delay for high-priority Ethernettelegramme.

Die Eintragung der zu segmentierenden Daten des Ethernetpaketes in die Datenbereiche der Ethernetzellen erfolgt sinnvollerweise in der Reihenfolge ihres „Auftretens”, d. h. in den 41 Bytes großen Datenbereich der ersten Ethernetzelle werden der EtherType-Parameter (2 Bytes) und noch 39 Bytes Nutzdaten des Ethernetpaketes eingetragen und in die folgenden drei Ethernetzellen je 41 Bytes Nutzdaten. Die fünfte Ethernetzelle transportiert wahlweise die verbleibenden 38 Bytes Nutzdaten sowie noch 3 Bytes der FCS des Ethernetpaketes – die minimale Paketgröße wird also beibehalten – oder zusätzlich zu den Nutzdaten die vollen 4 Bytes der FCS – die Paketgröße wird also um 1 Byte auf 65 Bytes vergrößert. Im ersten Fall benötigt man natürlich noch – wie oben schon beschrieben – eine sechste Zelle, die das letzte Byte der FCS transportiert, wobei der restliche Datenbereich mit Nullen aufgefüllt wird. Mit diesem Verfahren kann die Ethernetzellen-Einheit 1 aus den fünf bzw. sechs Ethernetzellen wieder das originale Paket rekonstruieren. Übertragungsfehler und Segmentierungs-/Reassemblyfehler werden durch die unveränderte CRC des Originalpakets offenbart und es greifen die Ethernet-Standardmechanismen.The entry of the data of the Ethernet packet to be segmented into the data areas of the Ethernet networks is expedient in the order of their "occurrence", ie the EtherType parameter (2 bytes) and still 39 bytes of user data of the Ethernet packet are entered into the 41 bytes data area of the first Ethernet network and in the following three Ethernet networks each 41 bytes of payload. The fifth Ethernet network optionally carries the remaining 38 bytes of user data and 3 bytes of the FCS of the Ethernet packet - the minimum packet size is retained - or in addition to the user data, the full 4 bytes of FCS - the packet size is increased by 1 byte to 65 bytes. Of course, in the first case, as described above, a sixth cell is needed to carry the last byte of the FCS, with the remainder of the data area being padded with zeros. With this procedure, the Ethernetzellen unit 1 reconstruct the original package from the five or six Ethernet networks. Transmission errors and segmentation / reassembly errors are revealed by the unmodified CRC of the original packet, and the standard Ethernet mechanisms are used.

Das originale Ethernetpaket mit den 200 Bytes benötigt zum Senden insgesamt 222 Bytes. Es wird durch die Segmentierung in entweder fünf Ethernetzellen mit jeweils 64 Bytes für die ersten vier Zellen und 65 Bytes für die fünfte Zelle oder in sechs Zellen mit jeweils 64 Bytes aufgeteilt, insgesamt werden jetzt also 321 Bytes bzw. 384 Bytes gesendet. Die um ca. 50 höhere Datenmenge stellt aufgrund der hohen zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität von 100 Mbit (oder gar bis zu 10 Gbit) heute kein Problem mehr dar. Die heute auf Zeitmultiplex basierenden echtzeitfähigen Ethernetvarianten erreichen durch die nicht vollständig mögliche Ausnutzung der Zeitschlitze auch nicht die theoretisch mögliche Übertragungskapazität. Da aktuelle Echtzeitimplementierungen von Ethernet zumeist auf eine Bandbreite von 100 Mbit beschränkt ist, ergibt sich durch die jetzt mögliche Verwendung von Netzwerkkomponenten mit höherer Bandbreite eine Echtzeitfähigkeit, welche oft besser als die der heutigen speziellen Implementierungen ist.The original 200-byte Ethernet packet requires a total of 222 bytes to send. It is divided by segmentation into either five 64-byte Ethernet cells for the first four cells and 65 bytes for the fifth cell or six cells of 64 bytes each, for a total of 321 bytes and 384 bytes, respectively. Due to the high available transmission capacity of 100 Mbit (or even up to 10 Gbit), the approximately 50 higher data volume is no longer a problem today. The real-time capable Ethernet variants based on time division multiplex do not even reach the full potential of the time slots the theoretically possible transmission capacity. Since current real-time implementations of Ethernet are mostly limited to a bandwidth of 100 Mbit, the now possible use of higher bandwidth network components results in real-time capability, which is often better than today's special implementations.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen zumindest eines Ethernetpaketes zwischen einem Sender und einem Empfänger, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Netzwerkgerät mit einer derartigen Vorrichtung. Um unter Verwendung von IEEE802.3-konformen Netzwerkkomponenten ein hohes Maß an Echtzeitfähigkeit und Deterministik zu erreichen, wird vorgeschlagen, das jeweilige Ethernetpaket am Sender in eine Anzahl von Ethernetzellen genannte Ethernetpakete zu segmentieren und am Empfänger wieder zusammenzufügen. Durch die Segmentierung der Ethernetpakete in Ethernetzellen – natürlich mit einer Länge deutlich kleiner als die maximale Paketgröße – werden hochpriore Echtzeitpakete deutlich kürzer verzögert als durch lange, unsegmentierte Ethernetpakete.In summary, the invention relates to a method for transmitting at least one Ethernet packet between a transmitter and a receiver, a device for carrying out a method according to the invention and a network device with such a device. In order to achieve a high level of real-time capability and deterministic using IEEE802.3-compliant network components, it is proposed to segment the respective Ethernet packet at the transmitter into a number of Ethernet packets called Ethernet networks and to reassemble them at the receiver. By segmenting the Ethernet packets in Ethernet networks - of course, with a length significantly smaller than the maximum packet size - high-priority real-time packets are delayed significantly shorter than by long, unsegmented Ethernet packets.

Claims

A method for transmitting at least one Ethernet packet between a transmitter and a receiver, wherein the respective Ethernet packet at the transmitter in a number of Ethernetzellen called Ethernet packets by means of an Ethernet cell unit ( 1 segmented, the MAC addresses and a possibly existing VLAN tag of the Ethernet packet for the Ethernet networks being taken over, wherein an EtherType parameter and the user data of the Ethernet packet are entered in the data areas of the Ethernet networks in sequence, In which the number of Ethernet networks results from the amount of user data and the size of the data areas, the Ethernet networks being marked as being assignable to the respective Ethernet packet, wherein in each Ethernet network the number of bytes occupied in the respective data areas by user data is noted, and wherein each Ethernet network is identified by an EtherType parameter as the Ethernet network, and in that the Ethernet packet at the receiver is selected from the number of Ethernet networks by means of an Ethernet network device ( 1 ) is joined together.

The method of claim 1, wherein also the FCS of the Ethernet packet is entered in the data areas of the Ethernet networks.

The method of claim 1 or 2, wherein the identifier for the assignment to the respective Ethernet packet and the number of bytes occupied by user data are represented by different EtherType parameters.

The method of claim 1 or 2, wherein the identifier for the assignment to the respective Ethernet packet and the number of bytes occupied with user data are stored in a variable in the data area of the respective Ethernet network.

Method according to one of the preceding claims, wherein the Ethernet packets are segmented in Ethernet networks with a minimum allowable length.

Ethernet cell unit ( 1 ) with means for carrying out a method according to one of the preceding claims, which comprises at least one transmitting unit ( 2 ), by means of which Ethernet packets can be segmented into Ethernet networks, a receiver unit ( 3 ), by means of which ethernet network packets can be joined together, and a memory unit ( 4 ) exhibit.

Network device for transmitting and / or receiving an Ethernet packet, characterized by an Ethernet network unit ( 1 ) according to claim 6.

Network device according to claim 7, wherein the Ethernet cell unit ( 1 ) between PHY layer ( 5 ) and MAC layer ( 6 ) is arranged.