DE10211097A1

DE10211097A1 - Procedure for the multidirectional exchange of data sets

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Publication number: DE10211097A1
Application number: DE10211097A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kres
Original assignee: Wolfram Kres
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE10211097B4; WO2003077479A1; AU2003215634A1

Abstract

Ein Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten (20) weist erfindungsgemäß eine automatische Sendereihenfolge von in dem Netzwerk vorhandenen Schalteinrichtungen (10) auf. Die Schalteinrichtungen (10) sind jeweils mit einem oder mehreren Anschlussgeräten sowie untereinander bzw. über Hubs (16) oder Switches (18) verbunden.According to the invention, a method for the multidirectional exchange of data records between connection devices (20) connected to one another via a network has an automatic transmission sequence of switching devices (10) present in the network. The switching devices (10) are each connected to one or more connection devices and to one another or via hubs (16) or switches (18).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten, wobei es sich bei dem Netzwerk insbesondere um ein Ethernet handelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Netzwerk, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, sowie eine in dem Netzwerk angeordnete, erfindungsgemäße Schafteinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for the multidirectional exchange of Records between connected via a network Connection devices, the network being in particular a Ethernet acts. The invention further relates to a network with which the The inventive method can be carried out, as well as one in the network arranged shaft device according to the invention for performing the Process.

Auf Ethernet basierende Automatisierungssysteme sind nicht hierarchisch aufgebaut, so dass alle Teilnehmer eines Automatisierungssystems über das Ethernet, z. B. auf der Basis des TCP/IP-Protokolls, unmittelbar miteinander kommunizieren können. Nach dem Stand der Technik können Managementfunktionen, wie z. B. Programm- und Parametersätze, Diagnosedaten und Visualisierungsdaten hoher Bandbreite an die Automatisierungsgeräte übertragen und dadurch Vorteile gegenüber den in der industriellen Automation gebräuchlichen Feldbussystemen erzielt werden. Automation systems based on Ethernet are not hierarchical set up so that all participants of an automation system via the Ethernet, e.g. B. on the basis of the TCP / IP protocol, directly with each other to be able to communicate. According to the state of the art Management functions, such as B. program and parameter sets, Diagnostic data and high bandwidth visualization data to the Automation devices transfer and thereby advantages over those in the industrial automation common fieldbus systems can be achieved.

In der industriellen Automatisierung müssen die Steuerungsdaten innerhalb kurzer und garantierten Zeiten innerhalb des Automatisierungsnetzwerks von der Quelle zu ihrem Ziel übertragen sein. Die in der Industrieautomation geforderten Reaktionszeiten bewegen sich im unteren Millisekundenbereich. Derartig geringe Reaktionszeiten sind z. B. zur exakten Steuerung von Bearbeitungsmaschinen, Robotern etc. zwingend erforderlich. Insbesondere müssen Notsignale (Notaus) innerhalb von geringen fest definierten Zeiträumen übertragen werden. Eine, wenn auch ggf. sehr hohe, Wahrscheinlichkeit einer rechtzeitigen Übermittlung ist nicht akzeptabel, zumal ggf. Verletzungen von Bedienpersonal hervorgerufen werden können. In industrial automation, the control data must be within short and guaranteed times within the automation network of transferred to the source to its destination. The one in industrial automation required response times are in the lower millisecond range. Such short response times are e.g. B. for exact control of Machining machines, robots etc. absolutely necessary. In particular Emergency signals (emergency stops) must be defined within a small number Periods are transferred. A, albeit very high, Probability of timely delivery is not acceptable, especially if necessary, injuries can be caused by operating personnel.

Solche determinierbaren Reaktionszeiten, d. h. garantierte Maximalreaktionszeiten, vermag das Ethernet aufgrund seines Kollisionsverfahrens (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = CSMA/CD) nicht zu gewährleisten, da das Ethernet nur mit einer kalkulierbaren, statistischen und nicht streng determinierbaren Erfolgswahrscheinlichkeit Nachrichten austauscht. Auf Grund der Kollision von Datensätzen innerhalb des Ethernets können ggf. lange Reaktionszeiten nicht vermieden werden. Auch von sog., im Netzwerk vorgesehenen, Switches, die Zwischenspeicher zum Speichern von Datensätzen aufweisen, kann eine strenge Determinierbarkeit des Datenaustausches nicht herbeigeführt werden. Auch hier kann es, wenn auch mit relativ geringer Wahrscheinlichkeit, auftreten, dass ein Datensatz nicht innerhalb der für die Industrieautomation erforderlichen maximalen Reaktionszeit übermittelt wird. (s. z. B. Frank J. Furrer; Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation, Hüthig Verlag, 2000). Such determinable response times, i.e. H. guaranteed The Ethernet is capable of maximum reaction times due to its Collision procedure (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = CSMA / CD) cannot be guaranteed, since the Ethernet only works with one calculable, statistical and not strictly determinable Probability of success exchanges messages. Due to the collision of Data sets within the Ethernet may not have long reaction times be avoided. Also of so-called switches provided in the network Can have a buffer for storing data records strict determinability of data exchange can not be brought about. Again, although with a relatively low probability, occur that a record is not within that for industrial automation required maximum response time is transmitted. (see e.g. Frank J. Furrer; Ethernet TCP / IP for industrial automation, Hüthig Verlag, 2000).

Weitere Nachteile bei der Verwendung von Switches ergeben sich aus ihrer komplexen Projektierung und ihren hohen Preisen, die in ihrer aufwendigen Struktur begründet sind. Die Matrix eines Switches benötigt Mikroprozessoren höchster Leistungsstufe. Der Speicherbedarf zur Zwischenspeicherung einer unkalkulierbarer hohen Nachrichtenflut ist sehr groß. Other disadvantages when using switches result from their complex project planning and their high prices, which in their elaborate Structure are justified. The matrix of a switch requires microprocessors highest performance level. The memory requirement for temporarily storing a incalculable high flood of news is very large.

Das Verhalten von bekannten Automatisierungsgeräten ist durch ein hierarchisches Verhalten gekennzeichnet. Zum Beispiel kommuniziert eine Steuerung mit den Sensoren und Aktoren über einen Feldbus. Die Sensoren werden sozusagen nach neuen Messwerten "gefragt" und erst nach Anfrage wird die "Antwort" über den Feldbus zurück an die Steuerung gesendet. Durch die Steuerung wird hiermit ein Ordnungssystem vorgegeben, das gleichzeitig auch das Problem der Determinierbarkeit löst. Derartige Systeme werden auch als Master/Slave Prinzip bezeichnet, das es erlaubt, Reaktionszeiten in Steuerungsprozessen zu garantieren. Nach dem Stand der Technik ist somit das Automatisierungsgerät selbst für den determinierbaren Datentransport in einem Netzwerk verantwortlich. The behavior of known automation devices is characterized by a hierarchical behavior. For example, one communicates Control with the sensors and actuators via a fieldbus. The sensors are, so to speak, "asked" for new measured values and only after request the "response" is sent back to the controller via the fieldbus. By the control system is hereby specified an organization system that works simultaneously also solves the problem of determinability. Such systems will also referred to as the master / slave principle, which allows response times in Guaranteeing control processes. According to the state of the art the automation device itself for determinable data transport in responsible for a network.

In bekannten Ethernetnetzwerken werden Netzwerkinfrastrukturgeräte, z. B. Hubs oder Switches, eingesetzt. Hubs dienen hierbei zur Einkopplung von Verbrauchergeräten ins Netzwerk. Ihre Funktion beschränkt sich im Wesentlichen auf die Signalaufbereitung und die Netzwerkarbitrierung, die letztlich entscheidet, welche Nachrichten weitergeleitet werden und welche zurückgewiesen bzw. verworfen werden. Da selbst 100 Mbit Ethernetnetzwerke schon ab ca. 10% Netzwerklast deutlich an Effizienz verlieren, wurden sogenannte Switches entwickelt, die den Datenverkehr im Sinne der Effizienz in einem Netzwerk regeln. Im Gegensatz zu Hubs werden keine Nachrichten verworfen sondern ggf. zwischengespeichert und zu einem späteren, nicht streng zeitlich determinierbaren Zeitpunkt weitergeleitet. In known Ethernet networks, network infrastructure devices, e.g. B. Hubs or switches. Hubs are used to couple in Consumer devices into the network. Their function is limited in Essentially on signal conditioning and network arbitration, which ultimately decides which messages are forwarded and which be rejected or rejected. Since even 100 Mbit Ethernet networks are significantly more efficient from a network load of approx. 10% so-called switches have been developed, which limit the data traffic in the Regulate the sense of efficiency in a network. Unlike hubs no messages discarded but possibly cached and combined into one forwarded later, not strictly determinable time.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbau eines vorzugsweise auf Ethernet basierenden Kommunikationssystems für die Industrieautomation bereitzustellen, das ein zeitlich determinierbares Kommunikationsverhalten aufweist. Vorzugsweise sollen die Reaktionszeiten im unteren Millisekundenbereich liegen. The object of the invention is a method for building a preferably on Ethernet-based communication systems for industrial automation to provide a time-determinable communication behavior having. The reaction times should preferably be in the lower range Millisecond range.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Netzwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 29 und eine Schalteinrichtung für das Netzwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 30. According to the invention, the object is achieved by a method for multidirectional exchange of data records according to claim 1 and by a network for performing the method according to claim 29 and a Switching device for the network to carry out the method according to Claim 30.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum multidirektionalen Austausch von Datensätzen zwischen über ein Netzwerk miteinander verbundenen Anschlussgeräten bzw. Verbrauchern, weist erfindungsgemäß mit den Anschlussgeräten verbundene Schalteinrichtungen auf. Die Netzwerkverbindung erfolgt sodann durch das Verbinden der einzelnen Schalteinrichtungen miteinander. Diese Verbindung kann beispielsweise direkt von Schalteinrichtung zu Schalteinrichtung oder über Hubs erfolgen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der zeitlich determinierbare Datentransport durch die Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen sind somit erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass von diesen die Daten zeitlich determiniert versendet werden. Erfindungsgemäß erfolgt somit die zeitliche Determinierbarkeit des Netzwerkes nicht wie bei Feldbus-Systemen im Anschluss- bzw. Automatisierungsgerät selbst, sondern mit Hilfe der Schalteinrichtung. Die Automatisierungsgeräte können somit zu jedem beliebigen Zeitpunkt Daten versenden. Die bei der Automatisierung erforderliche Determinierbarkeit wird sodann von den mit den Anschluss- bzw. Automatisierungsgeräten verbundenen Schalteinrichtungen realisiert. The inventive method for the multidirectional exchange of Records between connected via a network Connection devices or consumers, according to the invention with the Switching devices connected to connecting devices. The Network connection then takes place by connecting the individual Switching devices with each other. This connection can be direct, for example from switching device to switching device or via hubs. After this The method according to the invention is time-determinable Data transport through the switchgear. The switching devices are thus constructed according to the invention in such a way that the data of these are temporal sent determinately. According to the invention, the temporal Determinability of the network is not the same as with fieldbus systems in the Connection or automation device itself, but with the help of Switching device. The automation devices can therefore be used by anyone Send data at any time. The one in automation The necessary determinability is then determined by those with the connection or Automation devices connected switching devices realized.

Vorzugsweise wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sendereihenfolge der einzelnen Schalteinrichtungen automatisch festgelegt. Durch das Festlegen der Sendereihenfolge wird eine Kollision von Datensätzen in dem Netzwerk vermieden. Die Reaktionszeit des Netzwerkes ist somit zeitlich determinierbar. Beispielsweise in Abhängigkeit der zugelassenen Datensatzlängen ist ein maximaler Zeitraum, in dem ein Datensatz eines Anschlussgerätes versendet wird, bestimmbar. Es sind somit maximale Reaktionszeiten bestimmbar. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Schalteinrichtungen, die in einer automatisch festgelegten Sendereihenfolge Datensätze versenden können, ist es somit insbesondere möglich, das Netzwerk auf Ethernet-Basis aufzubauen. Erfindungsgemäß sind die Vorteile des Ethernet somit mit den Anforderungen für die Industrieautomation verbunden. Preferably, according to the inventive method Sending order of the individual switching devices automatically determined. By setting the sending order, there is a collision of records avoided in the network. The response time of the network is therefore determinable in time. For example, depending on the approved Record length is a maximum period in which a record of a Connection device is sent, determinable. So there are maximum Response times can be determined. Through the provision of Switching devices in an automatically determined transmission order Can send data records, it is particularly possible that Build an Ethernet-based network. The advantages are according to the invention Ethernet with the requirements for industrial automation connected.

Die mit den Schalteinrichtungen verbundenen Anschlussgeräte bzw. Verbraucher können weiterhin zu beliebigen Zeitpunkten Datensätze an die Schalteinrichtungen übermitteln. Die Sendereihenfolge wird erfindungsgemäß ausschließlich mit Hilfe der zwischengeschalteten Schalteinrichtungen vorgenommen. The connection devices connected to the switching devices or Consumers can still send records to the Transmit switching devices. The order of transmission is according to the invention exclusively with the help of the intermediate switching devices performed.

Vorzugsweise werden den zu versendenden Datensätzen Prioritäten zugeordnet. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise die Datensätze mit hoher Priorität häufiger versendet als Datensätze mit niedrigerer Priorität. Es ist somit beispielsweise möglich, dass eine Schalteinrichtung, sobald sie nach der Sendereihenfolge zum Versenden eines Datensatzes an der Reihe ist, Datensätze mit hoher Priorität vorzieht. Datensätze mit hoher Priorität können somit Datensätze mit niedrigerer Priorität innerhalb einer Schalteinrichtung überholen. Beispielsweise sendet jede Schalteinrichtung bei jedem zweiten Sendevorgang stets den ihr vorliegenden Datensatz mit der höchsten Priorität. Die Anzahl der verwendeten Prioritäten sowie ein geeignetes Regelwerk, wann welche Prioritäten bevorzugt gesendet werden, kann insbesondere in Abhängigkeit der Anlage, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, optimiert werden. Hierbei muss insbesondere die maximal zulässige Reaktionszeit des Systems berücksichtigt werden. Priorities are preferably given to the data records to be sent assigned. According to the invention, the data records are preferably high Priority sent more often than records with lower priority. It is thus, for example, possible that a switching device, as soon as after the It is your turn to send a record, Prefer high priority records. High priority records can thus records with lower priority within a switching device overtake. For example, every switching device transmits every second Always send the data record with the highest priority. The number of priorities used and an appropriate set of rules when which priorities are preferred can be sent in particular in Dependency of the system operated with the method according to the invention will be optimized. In particular, the maximum permissible System response time are taken into account.

Zur automatischen Festlegung der Sendereihenfolge erfolgt vorzugsweise eine Vergabe von laufenden Sendeberechtigungsnummern für die einzelnen Anschlüsse der Schalteinrichtungen oder die Datensätze der einzelnen Anschlussgeräte. Insbesondere jedem Anschluss der Schalteinrichtung, der mit einem Anschlussgerät bzw. einem Verbraucher verbunden bzw. verbindbar ist, ist erfindungsgemäß somit eine Sendeberechtigungsnummer zugeordnet. Das Senden von Datensätzen erfolgt erfindungsgemäß sodann stets in der vorgegebenen Reihenfolge. For the automatic determination of the transmission sequence, preferably one Allocation of current transmission authorization numbers for the individual Connections of the switching devices or the data records of the individual Connecting devices. In particular, each connection of the switching device that with is connected or connectable to a connecting device or a consumer, a transmission authorization number is thus assigned according to the invention. The According to the invention, data records are then always sent in the given order.

Besonders bevorzugt ist es, die Vergabe der Sendeberechtigungsnummer auf Grundlage der Ethernetadresse des jeweiligen Anschlusses der Schalteinrichtung oder der Ethernetadresse des Anschlussgerätes zu bestimmen. Derartige Ethernetadressen sind eindeutig und kommen in keinem Netzwerk doppelt vor. Es kann somit auf einfache Weise anhand eines Vergleichs sämtlicher Ethernetadressen, beispielsweise der Anschlüsse der Schalteinrichtungen, eine Hierarchie, beispielsweise nach aufsteigender Ethernetnummer, festgelegt werden. Vorzugsweise wird von jeder Schalteinrichtung hierzu die Ethernetadresse der einzelnen Anschlüsse oder die Ethernetadresse der Anschlussgeräte an sämtliche andere Schalteinrichtungen, die sich in dem Netzwerk befinden, gesendet. Somit sind jeder Schalteinrichtung sämtliche Ethernetadressen bekannt. Jede Schalteinrichtung kann sodann eine beispielsweise aufsteigende Liste der Ethernetadressen erstellen, so dass der eigene Sendeplatz für jeden einzelnen Anschluss der Schalteinrichtung festgelegt und der entsprechenden Schalteinrichtung bekannt ist. It is particularly preferred to assign the transmission authorization number Basis of the Ethernet address of the respective connection of the Switching device or the Ethernet address of the connection device determine. Such Ethernet addresses are unique and do not come in any Network twice before. It can thus be easily based on a Comparison of all Ethernet addresses, for example the connections of the Switching devices, a hierarchy, for example, ascending Ethernet number. Preferably everyone Switching device the Ethernet address of the individual connections or the Ethernet address of the connection devices to all other switching devices, that are on the network. So everyone is Switching device all Ethernet addresses known. Every switching device can then create an ascending list of Ethernet addresses, for example create so that the own slot for each individual connection of the Switching device and the corresponding switching device is known.

Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Schalteinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Logikeinheit, die mindestens eine Speichereinheit und einen Anschluss für ein ethernetbasiertes Anschlussgerät sowie mindestens einen weiteren Anschluss zur Verbindung mit dem Netzwerk, d. h. mit anderen Schalteinrichtungen oder Hubs, aufweist. Derartige Schalteinrichtungen werden im Folgenden als "Quality of Service Switches" (QoS-Switch) bezeichnet. When necessary to carry out the method according to the invention Switching device is preferably an electronic one Logic unit, the at least one storage unit and a connection for one Ethernet-based connection device and at least one other connection to connect to the network, d. H. with other switching devices or Hubs. Such switching devices are referred to below as "Quality of Service Switches" (QoS switch).

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mittels der Schalteinrichtungen, bzw. QoS-Switches, ohne die Verwendung von komplexen Projektierungstools (Softwaretools) sowohl sternförmige, wie auch linienförmige Automatisierungstopologien aufgebaut werden können, sodass die Verkabelung optimal der dezentralen Automatisierungsstruktur angepasst werden kann. The method according to the invention is characterized in particular by that by means of the switching devices or QoS switches, without the Use of complex project planning tools (software tools) both Star-shaped as well as linear automation topologies can be so that the cabling is optimally distributed Automation structure can be adjusted.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ferner möglich mit im Vergleich zu handelsüblichen Switches deutlich geringerem Hard- und Softwareaufwand einen QoS-Switch aufzubauen. Der QoS-Switch kann als kostengünstige Einchiplösung mit integriertem oder extern verschalteten Speicherbaustein ohne Verwendung von aufwendigen Mikroprozessorarchitekturen hergestellt werden. The method according to the invention also makes it possible to use Compared to commercially available switches, hardware and hardware are significantly smaller Software effort to build a QoS switch. The QoS switch can be used as Inexpensive single-chip solution with integrated or externally connected Memory chip without the use of expensive Microprocessor architectures are manufactured.

Besonders kostengünstig und platzsparend kann der QoS-Switch unter Wegfall des Ethernet-Verbraucheranschlusses, bzw. Ethernet-Anschlussgeräte- Anschluss, direkt in den jeweiligen Teilnehmer integriert werden. Eine MAC (Media Access Control) und der Physical können dann entfallen. The QoS switch can be particularly cost-effective and space-saving if it is omitted the Ethernet consumer connection or Ethernet connection device Connection, can be integrated directly into the respective participant. A MAC (Media Access Control) and the physical can then be omitted.

Vorteilhaft ist es auch, mehrere QoS-Switch durch Wegfall der entsprechenden MACs und Physicals in einem Mehrport-QoS-Switch mit entsprechend vielen Verbraucheranschlüssen zu integrieren. It is also advantageous to switch several QoS switches by eliminating the corresponding ones MACs and physicals in a multi-port QoS switch with a corresponding number Integrate consumer connections.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:

1. Es werden Quality of Services mit der priorisierten Behandlung von Nachrichten ermöglicht, von denen mehr als zwei Nachrichtenprioritäten unterstützt werden können.
2. Die QoS-Switches können gemischt mit Hubs in einem Netzwerk betrieben werden, ohne dass die Eigenschaften der zeitlichen Determinierbarkeit des Nachrichtenaustausches verloren gehen.
3. Der topologische Netzwerkaufbau erlaubt neben der linienförmigen Topologie auch sternförmige oder gemischte Strukturen.
4. Die Ausnutzung der Bandbreite des Ethernetsystems ist nach wie vor in effizienter Weise gegeben. Zur schnelleren Behandlung von Nachrichten dient im beschriebenen Verfahren die Nachrichtenpriorisierung.
5. Zu jeder Zeit können höher priorisierte Nachrichten nieder priorisierte Nachrichten überholen.
6. Mittels QoS-Switches lassen sich streng determinierbare Netzwerkbereiche schaffen, die mit weiteren Netzwerkbereichen, z. B. Office domains, ebenfalls über QoS-Switches gekoppelt werden können.
7. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Nachrichten direkt, d. h. nur durch Laufzeiten in der Logik verzögert an den Empfänger versendet bzw. weitergeleitet werden, sind deutlich bessere Uhrenabgleichgenauigkeiten bzw. Clock-Synchronisations-Zeiten, als in bekannten Ethernetnetzwerken realisierbar.

The method according to the invention is characterized in particular by the following advantages:

1. Quality of services are made possible with the prioritized handling of messages, of which more than two message priorities can be supported.
2. The QoS switches can be operated mixed with hubs in a network without losing the properties of the temporal determinability of the message exchange.
3. In addition to the linear topology, the topological network structure also allows star-shaped or mixed structures.
4. The utilization of the bandwidth of the Ethernet system is still efficient. In the described method, message prioritization is used for faster handling of messages.
5. Higher priority messages can overtake lower priority messages at any time.
6. By means of QoS switches, strictly determinable network areas can be created, which can be linked to other network areas, e.g. B. Office domains, can also be coupled via QoS switches.
7. Since, in the method according to the invention, all messages are sent or forwarded directly to the receiver, ie only delayed by running times in the logic, significantly better clock balancing accuracies or clock synchronization times are achievable than in known Ethernet networks.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und Beispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. In the following, the invention is illustrated on the basis of preferred embodiments and Examples with reference to the accompanying drawings explained.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Netzwerks mit erfindungsgemäß vorgesehenen Schalteinrichtungen, Fig. 1 is a schematic representation of an example of a network with inventively provided switching means,

Fig. 2 eine die Senderechte mehrerer Teilnehmer darstellende Tabelle, Fig. 2 is a transmission rights several participants performing table,

Fig. 3-6 eine schematische Darstellung mehrerer aufeinanderfolgender Sendezyklen, Fig. 3-6 is a schematic representation of a plurality of successive transmission cycles,

Fig. 7 ein Diagramm der Reaktionszeit in Abhängigkeit unterschiedlicher Prioritäten, Fig. 7 is a graph of the reaction time as a function of different priorities,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Nachrichtenzyklus und Fig. 8 is a schematic representation of a message cycle and

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung. Fig. 9 is a schematic representation of the switching device.

Mittels Quality of Services Switches (QoS-Switches) 10 wird eine aktive ethernetgebundene Netzwerkstruktur aufgebaut. Jeder QoS-Switch 10 hat dabei mindestens einen Verbraucher- bzw. Anschlussgeräte-Anschluss 12 und mindestens einen Netzwerkanschluss 14. Der Verbraucheranschluss 12 wird mit den Verbrauchern, bzw. Anschlussgeräten, verbunden und der Netzwerkanschluss 14 wird entweder direkt mit einem Netzwerkanschluss 14 eines weiteren QoS-Switches 10 verbunden oder mit handelsüblichen Netzwerkinfrastrukturkomponenten wie z. B. Hubs 16. Wichtig in diesem Verfahren ist es innerhalb des Netzwerkes nur Netzwerkinfrastrukturkomponenten zu verwenden, die auch alle einlaufenden Nachrichten an alle Ports wieder ausgeben. Zur Ankopplung weiterer Netzwerke (z. B. eines Office Netzwerkes) können über die Verbraucheranschlüsse auch Switches 18 angeschlossen werden. An active ethernet-linked network structure is set up using quality of services switches (QoS switches) 10 . Each QoS switch 10 has at least one consumer or connection device connection 12 and at least one network connection 14 . The consumer connection 12 is connected to the consumers, or connection devices, and the network connection 14 is either connected directly to a network connection 14 of a further QoS switch 10 or to commercially available network infrastructure components such as, for example, B. Hubs 16 . It is important in this procedure to use only network infrastructure components within the network that also output all incoming messages to all ports. Switches 18 can also be connected via the consumer connections to connect further networks (for example an office network).

Die Verbraucher, bzw. Anschlussgeräte, 20 dürfen in diesem Verfahren nur an die Verbraucheranschlüsse 12 der QoS-Switches 10 angeschlossen werden. In this method, the consumers or connecting devices 20 may only be connected to the consumer connections 12 of the QoS switches 10 .

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind zwanzig Anschlussgeräte 20 über QoS-Switches 10 und Hubs 16 verschaltet. In Fig. 1 ist sowohl die sternförmige wie auch linienförmige Kopplung von Verbrauchern erkennbar. QoS-Switches 10 können direkt zwischen Verbraucher 20 und Hub 16 geschaltet werden und erlauben auch das Weiterschleifen der Verkabelung zum nächsten QoS-Switch 10. In the example shown in FIG. 1, twenty connection devices 20 are connected via QoS switches 10 and hubs 16 . In Fig. 1, both the star-shaped and line-shaped coupling of consumers can be seen. QoS switches 10 can be connected directly between consumer 20 and hub 16 and also allow the wiring to be looped through to the next QoS switch 10 .

Jeder Verbraucheranschluss 12 der QoS-Switches 10 erhält umlaufend das Senderecht für eine Nachricht. Die Sendeberechtigung wird aus einer fortlaufenden Nummer entnommen, welche die Sendeposition beschreibt. Hat ein QoS-Switch 10 mehrere Verbraucheranschlüsse 12 wird jedem Verbraucheranschluss 12 pro QoS-Switch 10 eine Nummer zugeordnet. Vorteilhaft ist es, wenn die Nummern der Verbraucheranschlüsse 12 pro QoS- Switch 10 fortlaufend zugeordnet werden. Der Verbraucheranschluss 12 mit der Nummer "1" erhält zuerst das Senderecht für eine Nachricht bzw. einen Datensatz. Da alle Datensätze alle QoS-Switches 18 und Hubs 16 durchlaufen, können alle anderen Verbraucheranschlüsse 12 den Sendefluss von Nachrichten beobachten und zählen die Anzahl der gesendeten Datensätze mit, um so ihre eigene Sendeposition zu ermitteln. Anschließend sendet der QoS-Switch 10 dessen Verbraucheranschluss 12 die Nummer "2" besitzt usw. Haben alle QoS-Switches 10 entsprechend ihrer Anzahl der Verbraucheranschlüsse 12 ihre Nachrichten gesendet, erfolgt eine Sendepause, die das Ende eines Sendezyklus kennzeichnet. Nach Ablauf der Sendepause startet der QoS-Switch 10 dessen Verbraucheranschluss die Nummer "1" besitzt den nächsten Sendezyklus. D. h. die anliegende Nachricht des Verbraucherabschlusses 12 mit der laufenden Nummer "1" wird gesendet. Each consumer connection 12 of the QoS switches 10 receives the right to send a message all round. The send authorization is taken from a consecutive number that describes the send position. If a QoS switch 10 has a plurality of consumer connections 12 , a number is assigned to each consumer connection 12 per QoS switch 10 . It is advantageous if the numbers of the consumer connections 12 per QoS switch 10 are assigned continuously. The consumer connection 12 with the number "1" first receives the right to send a message or a data record. Since all data records pass through all QoS switches 18 and hubs 16 , all other consumer connections 12 can observe the flow of messages and count the number of data records sent in order to determine their own send position. The QoS switch 10 then sends its consumer connection 12 has the number "2" etc. If all QoS switches 10 have sent their messages in accordance with their number of consumer connections 12 , there is a transmission pause which indicates the end of a transmission cycle. After the transmission pause, the QoS switch 10 starts whose consumer connection has the number "1" the next transmission cycle. I.e. the pending message of the consumer contract 12 with the serial number "1" is sent.

Sollte ein Verbraucheranschluss 12 keine neuen Nachrichten (vom Verbraucher) anliegen haben, sendet er trotzdem eine Nachricht (Dummy), damit die folgenden Verbraucheranschlüsse 12 ihre korrekte Sendeposition ermitteln können. Vorteilhaft ist es, wenn in diesem Fall eine möglichst kurze Nachricht versendet wird und die Nachricht an keinen Empfänger in diesem Netzwerk gerichtet ist. So wird das Netzwerk nicht mit unnötig langen Nachrichten belastet und die Verbraucher 20 können entlastet werden. If a consumer connection 12 has no new messages (from the consumer), it still sends a message (dummy) so that the following consumer connections 12 can determine their correct transmission position. It is advantageous if in this case the shortest possible message is sent and the message is not directed to any recipient in this network. In this way, the network is not burdened with unnecessarily long messages and the consumers 20 can be relieved.

Jedem Verbraucheranschluss 12 ist ein Empfangsspeicher zugeordnet, in den alle vom Verbraucher 20 gesendeten Datensätze einlaufen. Jedem Verbraucheranschluss 12 pro QoS-Switch 10 wird eine Ethernetempfangsadresse (Destination) zugeordnet, die identisch mit der Empfangsadresse des angeschlossnen Verbrauchers 20 ist. Diese kann direkt aus dem Protokollverkehr mit dem Verbraucher, bzw. mit dem Anschlussgerät, 20 entnommen werden. So ist sichergestellt, dass jeder Verbraucher 20 mit jedem anderen Verbraucher 20 Nachrichten, bzw. Datensätze, austauschen kann. Vorteilhaft ist es, dass nur Nachrichten vom QoS-Switch 10 an die Verbraucher 20 weitergeleitet werden, dessen Empfangsadresse mit der der Nachricht identisch ist. Das System kann derart erweitert werden, dass auch Multicast und Broadcast Nachrichten übermittelt werden können. In diesem Fall wird im QoS-Switch 10 pro Verbraucheranschluss 12 und pro Nachricht eine Überprüfung auf mehrere Adressen (bzw. Adressräume) durchgeführt. A reception memory is assigned to each consumer connection 12 , into which all data records sent by the consumer 20 enter. Each consumer connection 12 per QoS switch 10 is assigned an Ethernet reception address (destination) which is identical to the reception address of the connected consumer 20 . This can be taken directly from the protocol traffic with the consumer or with the connection device 20. This ensures that every consumer 20 can exchange 20 messages or data records with every other consumer 20 . It is advantageous that only messages from the QoS switch 10 are forwarded to the consumers 20 whose reception address is identical to that of the message. The system can be expanded in such a way that multicast and broadcast messages can also be transmitted. In this case, a check for multiple addresses (or address spaces) is carried out in the QoS switch 10 per consumer connection 12 and per message.

Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass Nachrichten die zu Steuerungszwecken in der Automatisierung dienen, kurze Nachrichtenlängen haben und häufig zeitlich determinierbar gesendet werden müssen. Diese Nachrichten sollten dann mit hohen Prioritäten behandelt werden. In general, it can be assumed that messages are too Control purposes in automation serve short message lengths have and often have to be sent in a determinable time. This Messages should then be treated with high priorities.

Jeder Nachricht kann nach IEEE 802.1p eine Priorität zugeordnet werden, die im IP Protokoll festgelegt ist und die Quality of Services (QoS) unterstützt. A priority can be assigned to each message according to IEEE 802.1p is specified in the IP protocol and supports the Quality of Services (QoS).

Während des Einlaufs der Nachricht überprüft die Steuerlogik des QoS-Switch 10 im IP-Bereich des Telegramms die Priorität der Nachricht und legt anschließend die Sendereihenfolge aller Nachrichten, bzw. Datensätze, die noch im QoS-Switch 10 verweilen, neu fest. So ist es möglich, dass später eingelaufene Nachrichten mit hoher Priorität, Nachrichten mit niederer Priorität im QoS-Switch "überholen" können. During the arrival of the message, the control logic of the QoS switch 10 checks the priority of the message in the IP range of the telegram and then redefines the transmission sequence of all messages or data records that still remain in the QoS switch 10 . So it is possible that later received messages with high priority, messages with low priority can "overtake" in the QoS switch.

Der QoS-Switch 10 kann so ausgeführt bzw. parametrisiert werden, dass er weniger Prioritäten als in IEEE 802.1p (7 Klassen) festgelegt sind, unterstützt. In diesem Fall werden alle Prioritäten, welche kleiner gleich III sind mit Priorität III behandelt. The QoS switch 10 can be designed or parameterized so that it supports fewer priorities than specified in IEEE 802.1p (7 classes). In this case, all priorities that are less than or equal to III are treated with priority III.

Optional können jeder Prioritätsklasse I bis III maximale Nachrichtenlängen zugeordnet werden. In der Automatisierung ist dies zweckmäßig, da die Nachrichtenlängen für sicherheitsrelevante Nachrichten im allgemeinen kürzer sind als reine Steuerungsnachrichten, die wiederum kürzer sein werden, als Nachrichten die zu Visualisierungszwecken oder allgemeinen Managementfunktionen dienen und immer häufiger durch klassische Internetdienste (z. B. http Server) bedient werden. Optionally, each priority class I to III can have maximum message lengths be assigned. In automation this is useful because the Message lengths for security-related messages are generally shorter are as pure control messages, which in turn will be shorter than Messages for visualization purposes or general Management functions serve and increasingly with classic Internet services (e.g. http server) are operated.

In diesem Fall, kann die Nachrichtenlänge pro Priorität begrenzt werden. Sollte eine Nachricht diese Länge überschreiten, so wird sie dann automatisch mit der nächst niedrigeren Priorität behandelt. Diese Option ist von Vorteil, um möglichst kurze Reaktionszeiten für hochpriorisierte Nachrichten zu erhalten, und um diese auch zeitlich determinierbar berechnen zu können. In this case, the message length per priority can be limited. Should If a message exceeds this length, it will automatically be sent with of the next lower priority. This option is beneficial to get the shortest possible response times for high-priority messages, and in order to be able to calculate them in a determinable manner.

Zum Aufbau einer einfachen und preiswerten Logistik ist es vorteilhaft, pro Sendezyklus einen Quality of Service zu bedienen, wobei alle Nachrichten mit höchster Priorität innerhalb eines ersten Sendezyklus gesendet werden. Das heißt, in einem ersten Sendezyklus werden von den Verbraucheranschlüssen der QoS-Switches alle Nachrichten mit der Priorität I gesendet. To build a simple and inexpensive logistics, it is advantageous to pro Send cycle to use a quality of service, with all messages with highest priority are sent within a first transmission cycle. The means in a first transmission cycle from the consumer connections the QoS switches sent all messages with priority I.

Nachrichten mit niederer Priorität werden dann in weiteren folgenden Nachrichtenzyklen behandelt. Da im Ethernet auch längere Nachrichten (TCP/IP, http, FTP. . .) versendet werden müssen und sie im allgemeinen nicht so hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit stellen, sollten diese Nachrichten mit niedrigeren Prioritäten behandelt werden. Um aber den Nachrichten mit Priorität I auch die höchste Wiederholrate garantieren zu können, wird in dem folgenden Sendezyklus nur ein Teil der Nachrichten mit der Priorität II versendet. Damit jedoch auch Nachrichten mit niederer Priorität zeitlich determinierbar gesendet und empfangen werden können, werden in einer festen Anzahl von Nachrichtenzyklen alle jeweils zu einer Priorität gehörenden Nachrichten garantiert zeitlich determinierbar behandelt. Lower priority messages will then appear in subsequent ones Handled message cycles. Because in Ethernet there are also longer messages (TCP / IP, http, FTP ...) have to be sent and they generally do not such high demands should be placed on real-time capability Messages with lower priorities are handled. But around that Priority I messages also guarantee the highest repetition rate in the following transmission cycle, only a part of the messages will be broadcast of priority II. However, this also applies to lower priority messages can be sent and received in a determinable manner in time a fixed number of message cycles, each with a priority belonging messages are guaranteed to be handled in a determinable manner.

Dies ist nachfolgend anhand eines Beispiels mit drei Nachrichtenprioritäten (QoS) näher erläutert:
In diesem Beispiel sind die Nachrichtenprioritäten in einem ethernetbasierenden Automatisierungsnetzwerk wie folgt aufgeteilt:
Ethernetpaketlänge max. Sicherheitsrelevante Nachrichten = Priorität I; 96 Byte Steuerungsnachrichten = Priorität II; 256 Byte Nachrichten allgemein = Priorität III; 1526 Byte This is explained in more detail below using an example with three message priorities (QoS):
In this example, the message priorities in an Ethernet-based automation network are divided as follows:
Ethernet packet length max. Security-related messages = priority I; 96 bytes Control messages = priority II; 256 bytes General messages = priority III; 1526 bytes

In diesem Beispiel erhalten alle Nachrichten der Priorität I ein Senderecht im ersten Sendezyklus. Im nächsten Sendezyklus erhält die Hälfte aller Nachrichten der Priorität II und in einem dritten Sendezyklus R aller Nachrichten der Priorität III Senderechte, bzw. werden übertragen. In this example, all priority I messages have a send right in first transmission cycle. In the next broadcast cycle, half of all receive Priority II messages and in a third transmission cycle R all Priority III messages are transmitted or transmitted.

Die Steuerung der Senderechte pro Verbraucheranschluss kann der Tabelle nach Fig. 2 entnommen werden. The control of the transmission rights per consumer connection can be found in the table in FIG. 2.

In der Tabelle sind 12 Nachrichtenzyklen dargestellt, die jeweils durch eine Pause zur Synchronisierung des gesamten Systems getrennt sind. Nach Ablauf des 12. Sendezyklus wird mit Sendezyklus 1 nach einer Pause wieder aufgesetzt. In jeweils drei hintereinander folgenden Nachrichtenzyklen erfolgt die Behandlung der Nachrichtenprioritäten I bis III. The table shows 12 message cycles, each with a Break to synchronize the entire system are separated. After expiration of the 12th transmission cycle is again with transmission cycle 1 after a pause placed. In three consecutive message cycles the treatment of message priorities I to III.

Jeder Verbraucheranschluss wertet die zwei unteren Bits seiner Sendeberechtigungs-Nummer aus. Die Nachrichtenzyklen zu denen jeweils die Behandlung der Nachrichtenprioritäten von I bis III korrespondiert, werden über einen Zähler pro Anschlussgeräte-Anschluss 12 durch die QoS-Switches 10 mitgeführt. Durch Auswertung der Tabelle wird ermittelt, ob im jeweiligen Sendezyklus unter Berücksichtigung der eigenen Nummer eine Sendeberechtigung der entsprechend priorisierten Nachricht vorliegt. Logisch 0 bedeutet in der Tabelle, es liegt keine Sendeberechtigung vor und logisch 1 bedeutet, ein Datensatz wird gesendet. Each consumer connection evaluates the two lower bits of its authorization number. The message cycles to which the treatment of message priorities from I to III corresponds in each case are carried by the QoS switches 10 via a counter per connection device connection 12 . By evaluating the table, it is determined whether, in the respective transmission cycle, taking into account one's own number, there is authorization to send the correspondingly prioritized message. Logical 0 means in the table that there is no authorization to send and logical 1 means that a data record is sent.

In Fig. 3-6 sind entsprechend der Tabelle (Fig. 2) erfolgende Sendezyklen mit 12 Anschlussgeräten und 3 Nachrichtenprioritäten (QoS) dargestellt. Hierbei sind die Nachrichten mit Priorität I, d. h. der höchsten Priorität, schraffiert, die Nachrichten mit Priorität II gepunktet und die Nachrichten der Priorität III weiß dargestellt. Jeweils ein 1., ein 2. und ein 3. Sendezyklus ist zur Veranschaulichung als Kreis dargestellt, wobei es sich bei dem ersten Sendezyklus um den Sendezyklus 22, bei dem zweiten um den Sendezyklus 24 und bei dem dritten um den Sendezyklus 26 handelt. In Fig. 3-6, corresponding to the table ( Fig. 2), send cycles with 12 connection devices and 3 message priorities (QoS) are shown. The messages with priority I, ie the highest priority, are hatched, the messages with priority II are dotted and the messages with priority III are shown in white. For illustration purposes, a 1st, a 2nd and a 3rd transmission cycle is shown as a circle, the first transmission cycle being the transmission cycle 22 , the second transmission cycle 24 and the third transmission cycle 26 .

In einem ersten Umlauf (Fig. 3) wird in dem ersten Sendezyklus 22 von jedem Verbraucheranschluss, d. h. den Verbraucheranschlüssen mit den Nummern 1-12, eine Nachricht mit der Priorität I versendet. Nach einer Pause 28 erfolgt ein Versenden von Datensätzen jedes zweiten Anschlussgerätes, d. h. der Anschlussgeräte mit den Nummern 1, 3, 5, 7, 9 und 11. Hierbei erfolgt in dem zweiten Sendezyklus 24 ein Versenden von Datensätzen der Priorität II. Nach einer weiteren Pause 30 werden in dem dritten Sendezyklus 26 Datensätze der Priorität III auf einem Viertel der Anschlussgeräte, bzw. einem Viertel der Verbraucheranschlüsse, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Anschlüsse mit den Nummern 4, 8 und 12, versendet. In a first round (Fig. 3) in the first transmission cycle 22 of each load connection, that the actuator ports with numbers 1-12, sends a message with the priority I. After a pause 28 , data records of every second connection device, ie the connection devices with the numbers 1 , 3 , 5 , 7 , 9 and 11, are sent . Priority II data records are sent in the second transmission cycle 24. After a further pause 30 , priority III data records are transferred in the third transmission cycle 26 to a quarter of the connection devices, or a quarter of the consumer connections, in the illustrated embodiment of the connections with the Numbers 4 , 8 and 12 sent.

Nach einer weiteren Pause 32 erfolgt wiederum ein Versenden der Nachrichten der höchsten Priorität in dem ersten Sendezyklus 22 (Fig. 4). Hierbei werden wieder Datensätze von sämtlichen Anschlussgeräten 1-12 versendet. Nach der Pause 34 werden im zweiten Sendezyklus 24 Datensätze der Hälfte der Geräte versendet. Hierbei handelt es sich um Datensätze derjenigen Geräte, von denen in dem ersten Umlauf (Fig. 3) keine Datensätze versendet wurden, d. h. um die Geräte 2, 4, 6, 8, 10 und 12. Nach einer weiteren Pause 36 erfolgt ein Versenden von Datensätzen im dritten Sendezyklus 26, wobei Datensätze eines anderen Viertels der Geräte, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Geräte 1, 5 und 9, weitergeleitet werden. After a further pause 32 , the messages of the highest priority are again sent in the first transmission cycle 22 ( FIG. 4). Data records from all connecting devices 1-12 are sent again. After the pause 34 , 24 data records of half of the devices are sent in the second transmission cycle. These are data records of those devices from which no data records were sent in the first round ( FIG. 3), ie devices 2 , 4 , 6 , 8 , 10 and 12 . After a further pause 36 , data sets are sent in the third transmission cycle 26 , data sets from another quarter of the devices, in the illustrated exemplary embodiment of devices 1 , 5 and 9 , being forwarded.

In den nächsten Umläufen (Fig. 5 und 6) erfolgt jeweils in den ersten Sendezyklen 22 ein Versenden von Datensätzen mit höchster Priorität, wobei jeweils Datensätze aller Anschlussgeräte versendet werden. Die sich daran anschließenden Sendezyklen 24 entsprechen den Sendezyklen, wie sie in den Fig. 3 bzw. 4 dargestellt sind. Der dritte Sendezyklus 26 enthält bei dem in Fig. 5 dargestellten Umlauf Datensätze der Geräte 2, 6, 8 und im nächsten Umlauf (Fig. 6) Datensätze der Geräte 3, 7, 11. Somit sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nach vier Umläufen (Fig. 3-6) vier mal Datensätze mit höchster Priorität sämtlicher Anschlussgeräte versendet worden. Datensätze der Priorität II sind in diesem Gesamtumlauf zwei mal versendet worden. Datensätze der Priorität III sind nach den vier Umläufen (Fig. 3-6) ein mal je Gerät versendet worden. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere bei Datensätzen mit einer hohen Priorität eine äußerst kurze Reaktionszeit realisierbar. In the next rounds ( FIGS. 5 and 6), data records with the highest priority are sent in the first transmission cycles 22 , data records of all connecting devices being sent. The subsequent transmission cycles 24 correspond to the transmission cycles as shown in FIGS . 3 and 4. The third transmission cycle 26 contains data records of devices 2 , 6 , 8 in the cycle shown in FIG. 5 and data records of devices 3 , 7 , 11 in the next cycle ( FIG. 6). Thus, in the exemplary embodiment shown, four sets of data with the highest priority of all connection devices have been sent after four rounds ( FIGS. 3-6). Priority II records have been sent twice in this total circulation. Priority III data records were sent once per device after the four rounds ( Fig. 3-6). With this method according to the invention, an extremely short response time can be achieved, particularly in the case of data records with a high priority.

Prinzipiell kann diese Methode auf die Behandlung weiterer Prioritäten ausgedehnt werden und es sind auch weitere Möglichkeiten der Lastbegrenzung niederer Nachrichtenprioritäten gegeben. In principle, this method can be used to treat other priorities be expanded and there are other ways of Load limitation of lower message priorities given.

Durch diese Methode lässt sich mit den maximal bekannten Datenlängen, der Baudrate, dem Interframegap, der Anzahl der Teilnehmer, die geradzahlig aufgerundet werden müssen, eine determinierbare Übermittlungszeit für einen Datensatz ermitteln. Die Übermittlungszeit und damit die Reaktionszeit ist durch folgende Formeln bestimmt:
mit: _x = Priorität (_x = _I bis _III)
R_x = Reaktionszeit in usec (worst case) mit der Priorität x
T_x = Zeit eines Telegramms in usec bei 100 Mbit Fast Ethernet mit der Priorität x
D_x = maximale Länge des jeweiligen Ethernetprotokolls in Byte
T_i = Zeit des Interframegap (ca. 1 usec)
n = auf eine gerade Zahl aufgerundete Anzahl der betriebenen Verbraucheranschlüsse
P = Pause (in usec)
folgt: T_x = D_x × 8/100.000 + T_i (usec)

RI = n × TI + n/2 × TII + n/4 × TIII + 3 × P

RII = 2 × RI

RIII = 4 × RI
This method can be used to determine a determinable transmission time for a data record using the maximum known data lengths, the baud rate, the interframe gap, the number of nodes that have to be rounded up evenly. The transmission time and thus the response time is determined by the following formulas:
with: _x = priority ( _x = _I to _III )
R _x = response time in usec (worst case) with priority x
T _x = time of a telegram in usec with 100 Mbit Fast Ethernet with priority x
D _x = maximum length of the respective Ethernet protocol in bytes
T _i = time of the interframe gap (approx. 1 usec)
n = number of consumer connections operated rounded up to an even number
P = pause (in usec)
follows: T _x = D _x × 8 / 100,000 + T _i (usec)

RI = n × TI + n / 2 × TII + n / 4 × TIII + 3 × P

RII = 2 × RI

RIII = 4 × RI

Mit oben angegebener Formel lassen sich in dem in Fig. 3-6 dargestellten Beispiel die garantierten Reaktionszeiten ermitteln:
Mit: P = 10 usec; D_I = 96 Byte; D_II = 256 Byte; D_III = 1526 Byte = max.; folgt der in Fig. 7 dargestellte Graph. In dem dargestellten Diagramm zeigt die gestrichelte Linie die maximale Reaktionszeit in Abhängigkeit der Anzahl der Anschlussgeräte für Nachrichten der höchsten Priorität, d. h. der Priorität I. Für Nachrichten der Priorität II ist die Reaktionszeit durch eine durchgezogene Linie und für Nachrichten der Priorität III durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. With the formula given above, the guaranteed response times can be determined in the example shown in Fig. 3-6:
With: P = 10 usec; D _I = 96 bytes; D _II = 256 bytes; D _III = 1526 bytes = max .; the graph shown in FIG. 7 follows. In the diagram shown, the dashed line shows the maximum response time depending on the number of connection devices for messages of the highest priority, ie priority I. For messages of priority II, the response time is by a solid line and for messages of priority III by a dash-dotted line shown.

Jeder QoS-Switch 10 besitzt pro Verbraucheranschluss 12 eine eigene eindeutige Ethernetadresse. Diese dienen zu Diagnose- und Managementzwecken und werden erfindungsgemäß zur Bestimmung der Sendeberechtigungsnummer genutzt. Die Sendeberechtigungsnummer ist gleichbedeutend mit der Sendeposition des Verbraucheranschlusses. Die Sendeberechtigungsnummer wird aus allen am Netzwerk beteiligten Ethernetadressen der Verbraucheranschlüsse ermittelt. So erhält z. B. der Verbraucheranschluss mit der niedrigsten Ethernetadresse die Sendeberechtigungsnummer 1. Der Verbraucheranschluss mit der nächst höheren Ethernetadresse erhält die Nummer 2 usw.. Die Steuerlogik eines jeden Verbraucheranschlusses muss hierzu Kenntnis über alle Ethernetadressen der im Netzwerk befindlichen Verbraucheranschlüsse besitzen. Der gegenseitige Austausch aller Ethernetadressen der Verbraucheranschlüsse erfolgt durch Senden der eigenen Ethernetadresse an alle anderen QoS-Switches 10. Zum Austausch dieser Adressen werden die Pausen nach den Nachrichtenzyklen genutzt. In Fig. 8 ist ein typischer Sendezyklus dargestellt. Am Ende eines jeden Sendezyklus erfolgt eine Pause, die aus P1 und P2 besteht. Each QoS switch 10 has its own unique Ethernet address per consumer connection 12 . These are used for diagnostic and management purposes and are used according to the invention to determine the authorization number. The send authorization number is synonymous with the send position of the consumer connection. The send authorization number is determined from all Ethernet addresses of the consumer connections involved in the network. So z. For example, the consumer connection with the lowest Ethernet address has the send authorization number 1. The consumer connection with the next higher Ethernet address has the number 2 etc. The control logic of each consumer connection must have knowledge of all Ethernet addresses of the consumer connections in the network. The mutual exchange of all Ethernet addresses of the consumer connections takes place by sending the own Ethernet address to all other QoS switches 10 . The pauses after the message cycles are used to exchange these addresses. In FIG. 8 is a typical transmission cycle is shown. At the end of each transmission cycle there is a pause consisting of P1 and P2.

Werden innerhalb der Pausen P1 und P2 keine Nachrichten empfangen, startet der Verbraucheranschluss mit der Sendeberechtigungsnummer 1 den nächsten Sendezyklus. Innerhalb eines Sendezyklus werden nur Nachrichten von schon angemeldeten Verbraucheranschlüssen gesendet. If no messages are received within breaks P1 and P2, the consumer connection with transmission authorization number 1 starts the next transmission cycle. Only messages from already registered consumer connections are sent within a transmission cycle.

Wird nun ein neuer QoS-Switch 10 dem Netzwerk hinzugefügt, so beobachtet dieser einen Sendezyklus und detektiert dessen Ende, wenn innerhalb einer Pausenzeit P1 keine Nachrichten mehr empfangen wurden. Zur Anmeldung versendet dieser QoS-Switch die Ethernetadresse eines seiner Verbraucheranschlüsse. Da auch alle schon angemeldeten QoS-Switches die Pausenzeiten überwachen, empfangen alle QoS-Switches diese Adresse innerhalb der Pausenzeit P2. Dies führt dazu, dass jetzt alle anderen QoS- Switches ihre zu den Verbraucheranschlüssen korrespondierenden Ethernetadressen versenden. Diese Kommunikation kann nach den normalen Ethemetregeln (CSMA/CD) erfolgen, da im Falle der Netzwerkkonfiguration kein determinierbares Echtzeitverhalten des Netzwerkes erwartet wird. Wurden alle Ethernetadressen einmal ausgetauscht, wird für jeden Verbraucheranschluss eine ggf. neue Sendeberechtigungsnummer ermittelt. Dies kann z. B. nach Ablauf der detektierten Pausenzeit P1 erfolgen. Nach Ablauf der Pausenzeit P2 startet dann der Verbraucheranschluss mit der niedrigsten Ethernetadresse den nächsten Sendezyklus. Sollte wiederum vor Ablauf der Pausenzeit P2 eine Nachricht empfangen werden, so müssen wieder alle Ethernetadressen ausgetauscht werden. If a new QoS switch 10 is now added to the network, it observes a transmission cycle and detects its end when no more messages have been received within a pause P1. To register, this QoS switch sends the Ethernet address of one of its consumer connections. Since all already registered QoS switches monitor the pause times, all QoS switches receive this address within the pause time P2. As a result, all other QoS switches now send their Ethernet addresses corresponding to the consumer connections. This communication can take place according to the normal ethemet rules (CSMA / CD), since no determinable real-time behavior of the network is expected in the case of the network configuration. If all Ethernet addresses have been exchanged once, a new send authorization number is determined for each consumer connection. This can e.g. B. after the detected pause P1. After the pause time P2 has elapsed, the consumer connection with the lowest Ethernet address starts the next transmission cycle. If a message is received again before the pause time P2 expires, then all Ethernet addresses must be exchanged again.

In Fig. 8 ist auch ein Anmeldezyklus dargestellt, indem sich noch kein Teilnehmer im Netzwerk angemeldet hat. Dieser Zustand kann z. B. nach "Power on" eintreten. Der Einfachheit halber wird im folgenden unterstellt, dass sich nur QoS-Switches mit jeweils einem Verbraucheranschluss anmelden. Der erste Teilnehmer am Netz wird keinen Sendezyklus detektieren können. Nach einer Pausenzeit P3, die größer als P1 + P2 ist, versendet der Teilnehmer seine Ethernetadresse. Sollte er keine Nachrichten innerhalb der Pausenzeit P3 empfangen, versendet er erneut seine Adresse usw. Wird nun ein zweiter QoS-Switch zugeschaltet, wird dieser eine Nachricht vom zuerst eingeschalteten QoS-Switch erhalten. Nach einer Pausenzeit P1 startet der zweite zugeschaltete QoS-Switch mit dem Senden seiner Ethernetadresse. Dies wiederum löst erneut das oben beschriebene Prozedere aus. In FIG. 8, a registration cycle is illustrated by yet a subscriber has registered on the network. This condition can e.g. B. after "Power on". For the sake of simplicity, it is assumed below that only QoS switches with one consumer connection each register. The first participant in the network will not be able to detect a transmission cycle. After a pause P3 that is greater than P1 + P2, the participant sends its Ethernet address. If he does not receive any messages within the pause time P3, he sends his address again, etc. If a second QoS switch is now switched on, this will receive a message from the QoS switch that was switched on first. After a pause P1, the second connected QoS switch starts sending its Ethernet address. This in turn triggers the procedure described above.

In Fig. 8 wird auch gezeigt, wie sich weitere QoS-Switches bei unterschiedlichen Einschaltzeiten in das Netzwerk integrieren. Mit diesem Anmeldeverfahren ist es möglich, dass sich Netzwerkabschnitte nach Ausfall ein oder mehrerer Teilnehmer selbständig neu konfigurieren können. Die Sendereihenfolge kann sich dabei unter Umständen ändern. In jedem Fall werden aber immer vollständige Nachrichtenzyklen aufgebaut, die eine strenge zeitliche Determinierbarkeit garantieren. In Fig. 8 it is also shown how more QoS switches integrate with different turn-on times in the network. With this registration procedure, it is possible for network sections to reconfigure themselves if one or more participants fail. The sending order may change under certain circumstances. In any case, complete message cycles are always built up, which guarantee strict time determinability.

Das Verfahren kann alternativ dahingehend verändert werden, dass jedem QoS-Switch nur eine Ethernetadresse zugeordnet wird. In diesem Fall müssen alle Verbraucheranschlüsse mit einer Ethernetadresse auskommen. Beim Anmeldevorgang senden dann alle Verbraucheranschlüsse pro QoS-Switch die gleiche Ethernetadresse. Die Sendeposition der Verbraucheranschlüsse innerhalb eines QoS-Switch kann in diesem Fall im QoS-Switch durch dessen Software oder Hardwarelogik vorgegeben werden. Alle anderen QoS-Switches bzw. deren Verbraucheranschlüsse behandeln die gleichen empfangenen Ethernetadressen wie im oben beschriebenen Verfahren. Die Ermittlung der eigenen Sendeposition wird dadurch nicht beeinflusst, solange jeder Verbraucheranschluss eine Ethernetadresse sendet und damit einen Sendeslot anmeldet. The method can alternatively be changed so that everyone QoS switch is assigned only one Ethernet address. In this case all consumer connections get by with an Ethernet address. At the The registration process then sends all consumer connections per QoS switch same ethernet address. The send position of the consumer connections within a QoS switch can in this case in the QoS switch by Software or hardware logic can be specified. All other QoS switches or their consumer connections treat the same received Ethernet addresses as in the procedure described above. Determining the own sending position is not affected as long as everyone Consumer connection sends an Ethernet address and thus a send slot sign up.

Allen Verbraucheranschlüssen bzw. Anschlussgeräte-Anschlüssen 12 eines QoS-Switches 10 ist ein ausreichender gemeinsamer Empfangsspeicherbereich zugeordnet. Z. B. 8 mal 1526 Byte (1526 Byte = max. Ethernetframe) für 8 hintereinander einlaufende Nachrichten vom Verbraucher und zusätzlich 1526 Byte für eine Nachricht aus dem Netzwerk zur Zwischenspeicherung, falls diese nicht direkt an den Verbraucher weitergeleitet werden kann. Grund hierfür kann z. B. sein, dass der Verbraucher selbst eine Nachricht absetzen möchte und im Halb Duplex Betrieb die Leitung zum QoS-Switch belegt hat. Pro Verbraucheranschluss wird demnach ein Speicher von 9 × 1526 Byte = 13734 Byte reserviert. Mit einem handelsüblichen Speicherbaustein von 64 k × 16 Bit = 128 Kbyte wird ein ausreichender Pufferspeicher für 8 Verbraucheranschlüsse pro QoS-Switch zur Verfügung gestellt. A sufficient common receive memory area is assigned to all consumer connections or connection device connections 12 of a QoS switch 10 . For example, 8 times 1526 bytes (1526 bytes = max. Ethernet frame) for 8 consecutive messages from the consumer and an additional 1526 bytes for a message from the network for temporary storage, if this cannot be forwarded directly to the consumer. The reason for this can e.g. B. be that the consumer wants to send a message and has occupied the line to the QoS switch in half duplex mode. A memory of 9 × 1526 bytes = 13734 bytes is reserved for each consumer connection. With a commercially available memory module of 64 k × 16 bit = 128 Kbyte, a sufficient buffer memory for 8 consumer connections per QoS switch is provided.

Der in Fig. 9 als Beispiel gezeigte QoS-Switch besteht aus zwei Netzwerkanschlüssen 40, 42, mit der die Verbindung zu weiteren QoS-Switches 10 oder handelsüblichen Hubs 16 (Fig. 1) hergestellt werden kann und einem Verbraucheranschluss 44 an dem ein Verbraucher angeschlossen werden kann. Der QoS-Switch besteht aus den MACs (Media Acces Control) und den Physicals zur Erzeugung der Signale, einem externen Speicher 46 zur Zwischenspeicherung von Nachrichten, einem Mikrocontroller 48 zum Management des QoS-Switch und einer Steuerungslogik 50, die als Einchiplösung ausgeführt ist. The QoS switch shown as an example in FIG. 9 consists of two network connections 40 , 42 with which the connection to further QoS switches 10 or commercially available hubs 16 ( FIG. 1) can be established and a consumer connection 44 to which a consumer is connected can be. The QoS switch consists of the MACs (Media Access Control) and the physicals for generating the signals, an external memory 46 for the temporary storage of messages, a microcontroller 48 for managing the QoS switch and a control logic 50 which is designed as a single-chip solution.

Im Chip sind integriert:
Repeater 52 zur Weiterleitung und Aufbereitung der Ethernetprotokolle, Input und Output Buffer 54, 56, die als Sende- bzw. Empfangsbuffer dienen und dem Logikteil 50, der die Steuerung der Senderechte und der Nachrichtenpriorisierung im QoS-Switch 10 durchführt. Im Chip sind ebenfalls alle notwendigen Funktionen und Treiber zum Anschluss eines externen Speichers 46 und Mikroprozessor 48 untergebracht. The following are integrated in the chip:
Repeater 52 for forwarding and processing the Ethernet protocols, input and output buffers 54 , 56 , which serve as send and receive buffers and the logic part 50 , which controls the transmission rights and message prioritization in the QoS switch 10 . All necessary functions and drivers for connecting an external memory 46 and microprocessor 48 are also accommodated in the chip.

Vom Netzwerk einlaufende Telegramme werden auf ihre Zieladresse (oder Adressraum) hin überprüft und ggf. direkt oder im Falle, dass die Leitung zum Verbraucher hin belegt ist, indirekt über eine Zwischenspeicherung, an den Verbraucher weitergeleitet. Zur Auswertung der Zieladresse wird zumindest ein Teil des Telegramms im Backbone Input Buffer zwischengespeichert. Parallel wird das einlaufende Telegramm über den Repeater, der das Signal nur aufbereitet, an den jeweils anderen Netzwerkanschluss mit nur geringem Zeitversatz, der nur durch Laufzeiten der Bauelemente bestimmt ist, wieder ausgegeben. Dies ist wichtig, damit Zeitsynchronisierungen mit hoher Genauigkeit im Netzwerk durchgeführt werden können. Telegrams arriving from the network are sent to their target address (or Address space) checked and if necessary directly or in the event that the line to the Consumer is occupied, indirectly via a temporary storage, to the Forwarded consumers. To evaluate the destination address at least part of the telegram is buffered in the backbone input buffer. In parallel, the incoming telegram is sent via the repeater that receives the signal only processed, to the other network connection with only a small amount Time offset, which is only determined by the running times of the components, again output. This is important to keep time synchronizations high Accuracy can be done in the network.

Vom Verbraucher einlaufende Telegramme werden im Device Input Buffer auf ihre Priorität im IP-Bereich des Protokolls untersucht und entsprechend im externen Speicher solange abgelegt, bis sie mit dem entsprechend zugehörigen nächsten freien Sendeslot über die Netzwerkanschlüsse ausgegeben worden sind. Telegrams arriving from the consumer are opened in the device input buffer examines its priority in the IP range of the protocol and accordingly in external storage until it is stored accordingly associated next free slot via the network connections have been issued.

Die Steuerlogik des QoS-Switch kann so ausgefegt werden, dass sie im Falle des drohenden Speicherüberlaufs niedriger priorisierte Nachrichten zugunsten höher priorisierte Nachrichten verwirft. The control logic of the QoS switch can be swept out so that it of the threatened memory overflow in favor of lower priority messages discards higher priority messages.

Der Mikroprozessor dient zur Unterstützung der Berechnung der Sendeberechtigungsnummern und der Netzwerkdiagnose. Vorteilhaft ist auch die Implementierung eines http Servers, der die externe Kommunikation mit handelüblichen Softwaretools, wie z. B. Internetexplorern unterstützt. The microprocessor is used to support the calculation of the Send authorization numbers and network diagnostics. It is also advantageous the implementation of an http server that supports external communication with commercially available software tools, such as. B. Internet Explorer supported.

Je nach Anzahl der Verbraucheranschlüsse kann es vorteilhaft sein, den Speicher in den Chip zu integrieren. Depending on the number of consumer connections, it can be advantageous Integrate memory into the chip.

Im Falle, dass mehrere Verbraucheranschlüsse an einem QoS-Switch betrieben werden sollen, muss lediglich der Teil der Logik, der für die Steuerung eines Verbraucheranschlusses notwendig ist, und die entsprechenden Buffer mehrfach im Chip ausgeführt werden. In the event that several consumer connections are operated on one QoS switch only the part of the logic that is required to control a Consumer connection is necessary, and the corresponding buffer run multiple times in the chip.

Claims

1. A method for the multidirectional exchange of data sets between connection devices ( 20 ) connected to one another via a network, in particular based on Ethernet, wherein the time-determinable data transport by switching devices ( 10 ) via the connection devices ( 20 ) are connected to one another.

2. The method according to claim 1, wherein the switching devices ( 10 ) are connected to each other without topological restrictions and a transmission sequence of the switching devices ( 10 ) is automatically determined.

3. The method of claim 1 or 2, wherein each is to be shipped Record is assigned a priority and records with high Priority will be sent more often.

4. The method according to claim 3, in which data records with high priority are sent in a first transmission cycle ( 22 ) in the specified transmission sequence and data records with low priority are sent in one or more further transmission cycles ( 24 , 26 ).

5. The method according to claim 4, in which only data records of the first priority are sent in the first transmission cycle ( 22 ).

6. The method according to claim 4 or 5, in which in the first transmission cycle ( 22 ) the data records of all connection devices ( 20 ) are sent.

7. The method according to any one of claims 1-6, in which data records of part of the connecting devices ( 20 ) are sent in the further transmission cycles ( 24 , 26 ).

8. The method according to any one of claims 1-7, in which only data records of the second priority are sent in a second transmission cycle ( 24 ).

9. The method according to any one of claims 1-8, in which in a second transmission cycle ( 24 ) data records from about half of the connecting devices ( 20 ) are sent.

10. The method according to any one of claims 1-9, in which only data records of the third and / or a higher priority are sent in a third transmission cycle ( 26 ).

11. The method according to any one of claims 1-10, in which in a third transmission cycle ( 26 ) data records from about a quarter of the connection devices ( 20 ) are sent.

12. The method according to any one of claims 1-11, wherein the first transmission cycle ( 22 ) is carried out after each further transmission cycle ( 24 , 26 ).

13. The method according to any one of claims 1-11, wherein the transmission cycles ( 22 , 24 , 26 ) are always carried out in order.

14. The method according to any one of claims 8-13, in which in the second transmission cycle ( 24 ) data sets are alternately sent from one and the other half of the connection devices ( 20 ).

15. The method according to any one of claims 10-14, in which data records of a different quarter of the connecting devices ( 20 ) are sent in four successive third transmission cycles ( 26 ).

16. The method according to any one of claims 1-15, in which records the individual priorities are each limited to a maximum length.

17. The method according to claim 16, wherein when exceeding the maximum length a record automatically in the next lower Priority is classified.

18. The method according to any one of claims 1-17, wherein the priorities the data records are described in accordance with IEEE 802.1.

19. The method according to any one of claims 1-18, wherein the determination of the transmission order is carried out by assigning current transmission authorization numbers for the connections ( 14 ) of the switching devices ( 10 ) or the connection devices ( 20 ).

20. The method according to claim 19, wherein the transmission authorization number of each connection ( 14 ) or connection device ( 20 ) is based on the Ethernet address of the respective connection ( 14 ) or connection device ( 20 ).

21. The method according to any one of claims 1-19, in which in order to determine the transmission order of each switching device ( 10 ) in each case an address, in particular an Ethernet address, of the connections ( 14 ) of the switching device ( 10 ) or the connection devices connected to it ( 20 ) is sent to all switching devices ( 10 ).

22. The method according to claim 21, wherein each switching device ( 10 ) on the basis of the received connection addresses or connection device addresses and the at least one own connection address or connection device address determines the transmission position of the switching device (s) connected to it ( 10 ) or the connections of the switching devices ( 10 ).

23. The method according to claim 19 or 20, wherein each switching device ( 10 ) counts the number of data records sent by other switching devices ( 10 ) in order to determine its own transmission time.

24. The method according to any one of claims 1-22, wherein a dummy is sent if no data record of the corresponding priority for Shipping is available.

25. The method according to any one of claims 21-24, wherein the addresses transmitted in transmission pauses provided between transmission cycles become.

26. The method according to any one of claims 21-25, in which the address of a newly connected connecting device ( 20 ) is transmitted after a first pause time (P1) and then all addresses for determining the new transmission sequence are transmitted.

27. The method according to any one of claims 1-26, wherein the switching means (10) to forward a data only to a port for a terminal apparatus (20) which coincides with the address of the connecting device (20).

28. The method according to any one of claims 21-27, in which only switching devices ( 10 ) with a connected connecting device ( 20 ) send one or more addresses to determine the transmission sequence.

29. Network, in particular based on Ethernet, with a plurality of switching devices ( 10 ) connected to one another via network cables, each of which can be connected to at least one connection device ( 20 ), the switching devices ( 10 ) being constructed such that they are used to carry out the method one of claims 1-28 are suitable.

30. Switching device for networks, in particular based on Ethernet, with
at least one connection for a connection device ( 20 ),
at least one network connection ( 40 , 42 ),
an intermediate buffer for temporarily storing the at least one connecting device (20) to be sent or from the at least one connection device (20) for receiving data and
a logic module which is suitable for communication with logic modules of further switching devices ( 10 ) arranged in the network for carrying out the method according to one of claims 1-28.