在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置制造方法及图纸

所提出的方法和设备描述了用于工业控制和监视应用的实时网络规划，其中特别是基于根据IEEE 802.1 TSN任务组的新机制，将标准以太网交换元件用于通信网络。该工作规划将时钟数据传输与流预留概念结合在一起并因此在在运行时提供具有确保的最大延迟和访问控制的决定性。

A method of high performance data transmission in a data network with partial real-time requirements and a device for executing the method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置
技术介绍
工业应用，例如工业自动化中的分布式IO系统，取决于决定性数据传输的可用性和可靠性。这意味着待传输的数据应尽可能实时、可靠并且低延迟地送达至接收者。在此，这些网络中的数据传输的特征尤其在于，可以按规则的间隔以可预先规划的方式来传输较小的、可预测的数据量，例如将传感器的测量值或控制命令传输到工业设备中的执行器。数据量通常结合成突发(Burst)、或也称为流，即多个数据帧的集合。过去，专门为此目的开发并用于工业环境的硬件已被用于构建工业网络，优选以BUS拓扑结构、也就是所有参与者都通过公共消息路径连接的拓扑结构来构建。在图1中示例性地示出了这样的总线系统，其中，通过包含网元B0...B3的传输链路NB将不同的可以相互通信的参与者11、12、13连接。但是，并不仅仅使用了BUS系统，一个可选的拓扑例如是在图2所示的环形NR，在此，网元B0...B3以环形结构互连，其中在连接的参与者11、12、13之间传输数据包时，允许在两个传输方向进行。目前，用于数据传输的几乎所有现代网络都使用了标准化的以太网技术。因此，工业自动化系统的制造商开发了基于以太网的解决方案，利用专用的硬件扩展来满足应用的要求，并保证网络的所期望的实时表现。这些如此设计的系统之一便是PROFINET，它是过程现场网络的缩写。Profinet使用TCP/IP和IT标准，具有实时以太网功能，并且可以集成现场总线系统。PROFINET本身定义了两个实时协议：RT(实时)和IRT(等时实时)，用于为具有不同实时要求的Profinet10应用程序传输时间关键数据。ProfinetRT在标准以太网硬件上运行，并以高达10ms的周期时间处理Profinet10应用程序。在数据平面层，它使用标准的以太网交换技术的优先级来传输具有高于不需要实时传输的普通数据的优先级的实时数据。Profinet-RT的优点在于，该运行不需要网元的时间同步，因此需要少量工程成本。但是，ProfinetRT的单独应用仅提供了低的实时性能，因为即使是高优先级数据包的传输，从一个网元到另一个网元的每一跳，都具有高达一个最大数据帧的传输延迟。对于具有快速控制回路(例如驱动系统中的运动控制)的IO应用，ProfinetIRT提供了高度的确定性，并且可以提供1ms以下、直至31.25μs的循环时间。ProfinetIRT使用抖动(也就是在数字信号传输时的时间时钟震颤)小于1μs的时间同步，具有时间规划(time-scheduled，类似于TDMA，时分多址)的传输和所谓的“直通”交换，即，交换站在前一交换站已完全接收到待传输的数据帧之前就转发了该数据帧。如已经说明的那样，这两种传输方法需要适于应用在工业以太网中的具体硬件。IRT的原理是保护IRT数据传输(IRT数据的传输)不受其他数据传输(RT和其他非RT数据)的干扰。这通过使用专用时间窗口(用于ProfinetIRT的“红色阶段(RedPhase)”、“绿色阶段(GreenPhase)”和“黄色阶段(YellowPhase)”的预留带宽)并通过使用上述的直通交换来最小化网桥(交换点)处的IRT数据帧的延迟。在此严格地将“红色阶段”预留用于PROFINETRTClass3，它具有最高优先级，即在此期间不能传输其他数据包。为了满足这些要求，需要使用离线工程工具来计算在源处每个IRT数据帧的传输时间(也称为“InjectionTime，注入时间”)以及每个网桥上的IRT时间规划(Schedule，调度)。为了确保所有IRT帧在每个阶段都通过直通交换转发而不会互相干扰，IRT调度工具必须规划最大的同步误差并计算出在两个任意的数据帧之间的足够大的时隙作为相应注入时间(InjectionTime)的安全缓冲区，这两个任意的数据帧通过两个不同数据源生成/发送并且它们将沿着传输路径连续地由交换点(网桥)的同一输出端口(出口端口)转发。转发的过程本身在很大程度上取决于基础硬件的实现方式。时间规划/时间表考虑到了所有硬件的影响，因此仅适用于已知拓扑，并且规划中已考虑了硬件设备。这种冲突将导致数据丢失，因为直通交换通常不提供缓存/排队，并且丢弃数据帧。以下还会谈到系统设计。这意味着，无论底层拓扑如何，人们都必须能够保证在网络中传输已知数量的数据帧，即没有数据丢失并且在保证的传输时间内。对此，在网络中的最大跳数和RT帧的最大拍头长度已知(在TSN中也称为流)以及在交换点处的延迟已知(延迟时间)的情况下，确定了可以保证在网络中传输而没有数据丢失的RT数据帧的最大数量。以太网协议在不断发展。IEEE的AVB(AudioVideoBridging，音频视频桥接)工作组定义了许多功能，可在最大延迟时间内可靠地传输音频和视频数据。正在引入一种称为“预留流量”的新型数据流量。周期性出现的音频和视频数据将以所谓的“流”传输。网络配置信息通过流预留协议(SRP，IEEE802.1Qat)对用户隐藏。它提供了一种与资源预留结合而实现的访问控制机制，因此可以保证这种周期性出现的数据流量(流)的端到端的延迟时间。此外，TSN引入了TAS(时间感知整形，IEEE802.1QBR)机制作为一种新的转发行为，以实现尽可能低的延迟。转发通过类似于IRT的时间规划/规划来实现，并允许开发每个数据帧具有最低延迟的实时系统。总而言之，几乎所有实时工业系统制造商当前都使用专门为此目的设计的硬件来获得高性能系统。然而，这些系统在改变应用场景方面具有较低的灵活性。可选地，使用标准化的硬件，其对于更灵活的应用程序来说，性能较差。如上所述，PROFINET为具有不同实时要求的Profinet10应用定义了RT(Real-Time，实时)和IRT(IsochromosReal-Time，等时实时)。ProfinetRT在标准化硬件上执行，并且不依赖于时间同步机制。它几乎不需要任何前期工程成本。由于该概念以数据包的优先级为基础，因此它仅提供有限的实时功能。ProfinetIRT需要特殊的硬件才能根据离线前的工程和规划提供高度的确定性。调度概念不太灵活，出于稳定性原因，其必须提供安全缓冲区。AVB引入了高度灵活的系统，该系统为终端站提供了简单的协议，以满足工业应用对灵活性的需求。AVB网络的性能足以满足音频和视频应用程序的需求，但是AVB系统的性能不足以满足工业应用程序的延迟要求。TSN是一个高度确定性的系统，它提供了一种在交换点/网桥中配置基于时间的传输的机制。该系统为提供者、基于TDMA的系统对于除了IEEE标准化活动之外的这些系统所需的配置提供了计算方法和调度方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于工业数据网络中的具有至少部分实时要求的高性能数据传输的改进的方法和装置，其可以通过用于通信网络的标准以太网交换元件来实现。该目的通过具有根据权利要求1的特征的用于交换实时数据的方法来实现。本专利技术的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在工业网络(NB、NR)中优先、高性能、规则地传输数据包(F1，F2，...，Fm)集的方法，所述工业网络由交换节点(B0，B1，B2，B3)构成，其中，/n在从数据发送器(1，...，m)到数据接收器(L)的路径上，所述数据包(F1，F2，...，Fm)集分别从第一交换节点(B0，B1，B2，B3)传输到第二交换节点(B0，B1，B2，B3)，并且/n为所述数据包(F1，F2，...，Fm)集从所述第一交换节点到所述第二交换节点的传输分别专门预留传输带宽的时间窗口(RW)，并且/n在网络(NB、NR)中的所有进行传输的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)处，传输时间窗口(RW)的开始是时间同步的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在工业网络(NB、NR)中优先、高性能、规则地传输数据包(F1，F2，...，Fm)集的方法，所述工业网络由交换节点(B0，B1，B2，B3)构成，其中，
在从数据发送器(1，...，m)到数据接收器(L)的路径上，所述数据包(F1，F2，...，Fm)集分别从第一交换节点(B0，B1，B2，B3)传输到第二交换节点(B0，B1，B2，B3)，并且
为所述数据包(F1，F2，...，Fm)集从所述第一交换节点到所述第二交换节点的传输分别专门预留传输带宽的时间窗口(RW)，并且
在网络(NB、NR)中的所有进行传输的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)处，传输时间窗口(RW)的开始是时间同步的。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开始传输之前，所述工业网络(NB、NR)的系统设计必须是已知的和规划好的，其中，在考虑到由网络拓扑产生的所要遍历的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)的数量的情况下，实现所述传输时间窗口的预留，从而与所述网络拓扑无关地始终确保在所述传输时间窗口内的最大传输数量(MaxBL)。


3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，待传输的数据包(F1，F2，...，Fm)集具有标志(QoS)。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据标准TSNIEEE802.1AS-2011在所述网络中执行对所述传输时间窗口(RW)的时间同步。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据标准ProfinetIRTIEEE802.1Qbv执行所述传输时间窗口(RW)的预留。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了在所述交换节点(B0，B1，B2，B3)中的一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用存储和转发方法，特别地，第一待传输数据包(F1)在被进一步发送到后续的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)之前由所述一个交换节点(B0，B1，B2，B3)完全接收。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，为了在所述交换节点(B0，B1，B2，B3)中的一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用直通方法，特别地，第一待传输数据包(F1)在被进一步发送到后续的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)之前尚未被所述一个交换节点(B0，B1，B2，B3)完全接收。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述数据包(F1，F2，...，Fm)集中，为了传输而在所述数据包之间为了避免冲突而规划出至少一个传输间隙(G1，...)。


9.根据前述权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈峰，弗朗茨约瑟夫·格茨，马塞尔·基斯林，安·宁赫·恩固因，于尔根·施米特，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE