CN105573193A - 网络布置和融合承载网络中实时电报区分优先次序的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对融合承载网络中、尤其工业网络和/或“时间敏感网络”中的实时电报区分优先次序的方法，融合承载网络具有至少一个中央和至少一个分散分配器基础结构并且在融合承载网络中至少一个服务发射和/或接收实时电报，融合承载网络具有至少一个耦合节点，其是用于连接中央和分散分配器基础结构的中央网络节点，并且其具有至少一个耦合端口，耦合节点通过该端口与分散分配器基础结构连接，其中耦合节点具有中央网络端口，耦合节点通过该端口连入到中央分配器基础结构中。为了高效地区分实时电报的优先次序而提出，在耦合节点的中央网络端口处接收到的实时电报被分配有比在耦合端口处接收到的实时电报更高的优先级。

Description

网络布置和融合承载网络中实时电报区分优先次序的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对融合承载网络(konvergentenNetzwerk)中的、尤其是工业网络中的实时电报区分优先次序的方法，其中，融合承载网络具有至少一个中央分配器基础结构和至少一个分散分配器基础结构，并且其中在融合承载网络中至少一个服务发射和/或接收实时电报，并且其中融合承载网络具有至少一个耦合节点，其是用于连接中央分配器基础结构和分散分配器基础结构的中央网络节点，并且耦合节点具有至少一个耦合端口，耦合节点通过该耦合端口与分散分配器基础结构连接，其中，耦合节点具有中央网络端口，耦合节点通过该中央网络端口连入到中央分配器基础结构中。

此外，本发明还涉及一种网络布置以及一种用于执行这种类型的方法的网络设备。

背景技术

这种类型的方法可以应用到多个工业领域中，尤其是应用到自动化工业和汽车工业中以及能源领域中。在那里产生对通信网络的要求，在设备的范围中(anlagenweit)基于唯一的标准化的协议适用于从现场总线层面至企业层面的所有通信服务。这种类型的通信网络也被描述成融合承载网络，在该网络中能够实现不同的服务和实时服务。这样的网络也被描述为融合承载“时间敏感网络”(TSN)。例如，在此对于工业领域称为基于以太网协议的通信。

也被称为骨干(Backbone)的中央分配器基础结构是融合承载网络的中央部分。通过该中央分配器基础结构将大部分的数据分配给相应的分散分配器基础结构。在此该骨干也由多个、独立的或者彼此连接的中央分配器基础结构构成。(骨干的)中央分配器基础结构的效率通常明显高于分散分配器基础结构的效率。附加的是，在中央分配器基础结构中设置相应的冗余。

不同服务的共存产生一些挑战。这些服务有循环数据交流、如连续地传输控制数据(也就是控制数据流或者CD流)和音频-视频流(也就是AV流)以及非循环数据交流、如所谓的最佳效果交流(BE-Traffic)，其应该以实际用于该服务的尽可能的速度传输。

尽管在同一网络中共存有多个服务，必须满足对于实时服务、例如对于工业控制装置和其实时电报，对于在控制设备和终端设备之间的每个路径预设的要求，如最小延迟时间(Low-Latency)与周期的最小偏差和在数据包的渡越时间时的最小偏差(Low-Jitter)，并且此外提供最够的带宽以及充足的资源。如其这样的要求通常被总结成“QualityofService”(QoS)。该要求也必须在多个实时服务对共有的中央分配器基础结构进行访问时被实现。

至今为止，在输入端口上的Ingress-Policing(入口流量限制)和在输出端口上的Egress-Policing(出口流量限制)通过已知的机构，如Leaky-Bucket阻止，即循环数据流、例如CD流或者AV流消耗超过为其预定的带宽。如果例如数据流消耗其预定的带宽，那么其电报在确定的时间段中被删除。因此，至今为止与在中央网络端口(也就是骨干端口)处的耦合端口相比较，在耦合节点处的较大的数据负载被考虑。耦合节点是网络节点或者网络分配器，其将中央分配器基础结构与分散分配器基础结构连接，耦合端口是这样的端口，在该端口上分散分配器基础结构连接至耦合节点。

至今为止，在已知的监管机构(例如Leaky-Bucket)的情况中，为中央网络端口处的实时服务预订比用于耦合端口处的实时服务更多的带宽。当各预订的带宽没有被消耗时，存在不必要的储备，这会是不经济的。然而，当预订的带宽分别被消耗时，该服务的实时电报在一个时间段中被删除，并且无法再确保有保证的和时间上正确的传达电报。“QualityofService”要求也不再能够被满足。

发明内容

本发明的目的在于提出一种开头所述类型的方法以及一种网络布置和一种网络用户，利用其能够有效地区分实时电报的优先次序。

该目的在开头所述类型的方法的情况中由此实现，即给在耦合节点的中央网络端口处接收到的实时电报分配有比在耦合端口处接收到的实时电报更高的优先级。

本发明基于这样的认识，即端口特定的优先次序区分在考虑到在耦合节点的端口处的不同数据负载时，在实时服务中、如例如在控制数据交流(CD交流)中明显改善了传输。这导致了在中央网络连接的网络节点中的最小的延迟时间、较小的网络抖动、更大的带宽和较小的资源需求。

借此，准时地和可预见地向接收方传输实时电报，并且同时将用于另外的服务的可提供带宽最大化以及可以确保“QualityofService”。在此，该电报是否通过具有较低数据量的分散分配器基础结构传输、还是通过具有较高数据量的中央分配器基础结构传输并不重要。同样优选的是，在骨干中的实时电报是有较大意义的，并且其可以因此快速地经过骨干。

在另外优选的设计方案中，给在耦合端口处接收的实时电报分配有比在耦合节点的中央网络端口处接收的实时电报更低的优先级。由此，强烈地考虑，即在多数情况中在中央分配器基础结构中的数据吞吐量明显高于在网络的分散部分中的数据吞吐量。这同样避免了，即已经在中央分配器基础结构中进一步传输的实时电报被偶然进入到该网络节点中的新的、具有相同的优先级的实时电报阻挡。因此此外确保了，即不为实时电报分配不必要高的优先级，并且因此导致在中央分配器基础结构中的资源瓶颈

在另外优选的设计方案中，给在另外的中央网络端口处的实时电报分配有相应下一个较高的优先级。这具有特别的优点，即必须经过在中央分配器基础结构中的特别长的路径的实时电报以升高的优先级进一步传输。如果实时电报达到最高的优先级，那么其可以不必再被更高地区分优先次序。哪些端口执行该附加的优先次序区分取决于不同的因素。中央分配器基础结构的物理结构对此产生影响，例如对展现出长网络路径的狭窄位置或者连接的中央网络端口产生影响，已经能够在准备阶段或者在识别出问题时采取相应的措施。在此也可以考虑在该关键性的端口之前进行优先次序区分，或者甚至通过该关键性的段端口进行优先次序区分。

在另外优选的设计方案中，动态地给出实时电报的优先级。因此可以取决于哪些实体预设动力学来相应地对变化的边界条件进行快速地反应。生产能力的提高例如也可以由网络的扩展和发送和/或接收实时电报的参与者数量的增多来实现。在网络布置中的一个或者多个实体应该可以匹配于预设的优先级。例如，在中央分配器基础结构中的中央网络分配器承担该任务，并且在所有其他的设备上对分别有效的优先级进行同步。

此外，也可以考虑的是，该网络布置的该优先级来自虚拟物理***。借此，工业4.0实现了兼容产品，在其中不仅仅将产品组网，而且也将工程设计和甚至资源关联起来。借此能够高效地生产例如小批量的产品。

用于指派实时电报的优先级的另外的标准可以是实际的网络负载。取决于负载地给出优先级具有优点，即能够直接地对在融合承载网络中的日常负载波动做出反应。此外，在产品中的层开始或者在启动新系列产品时的包括测试和设施在内的产品数据的传输属于该负载波动。

当分别进行接收的网络端口实现对实时电报的优先次序区分时是特别优选的。因此确保总是直接地并且无进一步延迟地开始实时电报的优先次序区分。这节省了资源并且缩短了传输时间。

此外，该目的还通过一种用于执行该方法的网络布置实现，其中该网络布置具有带有至少一个耦合节点的至少一个中央分配器基础结构和至少一个分散分配器基础结构。在此，分散分配器基础结构的数量可以取决于效率或者直截了当地取决于中央分配器结构的尺寸并且附加地取决于相应的应用。

特别有利的是中央分配器基础结构具有环形结构。在此，没有各个中央网络连接的冗余地已经在网络连接故障时集成了冗余。实时电报总是能够选择最短的路径，并且在中央网络连接故障时选择相应的、可能的经过还工作的网络连接的路径。在此，根据本发明的方法和网络结构理想地补充。

在另外的设计方案中，中央分配器基础结构基本上具有梳形结构。在该结构中，根据本发明的方法是尤其有利的，因为中央分配器结构现场总线类型地设计，并且因此根据本发明的方法进行的对实时电报的优先次序区分具有更大的意义。

特别有利的设计方案是，网络布置是工业自动化***的一部分或者能连接在其上。在该种情况中，实时服务常常与在安全方面条件苛刻的功能相关联。其因此正好在工业环境中具有最大的意义，从而转换成根据本发明的方法的优点，如用于另外的服务的带宽最大化和能保证的“QualityofService”。

适合于执行该方法的网络设备具有较大的优点，即能够通过整个融合承载网络确保，即实时电报以必要的优先级或者以在中央分配器基础结构中提高的优先级传输。例如，在此提及被管理的开关或者集线器，它们本身或者其端口能够执行根据本发明的优先次序区分。在此可以使用在没有网路能力的设备的网络扩展方面的路由器、网络适配器或者另外的网络分配器。

附图说明

接下来根据在附图中示出的实施例对本发明进行详细说明和描述。图中示出：

图1是环形结构的、具有中央分配器基础结构的融合承载网络，

图2是梳形结构的、具有中央分配器基础结构的融合承载网络，

图3是具有不同的服务和优先级的示例性的周期。

具体实施方式

图1示出了融合承载网络1的优选的设计方案，其由中央分配器基础结构2和在该种情况中的分散分配器基础结构12构成。暗示出可能的中央和分散网络连接5和15，即融合承载网络1在另外的实施例中能够以另外的中央和分散网络连接4和14以及所属的分配器基础结构2和12进行扩展。在该设计方案中，中央分配器基础结构2是环形结构并且由中央网络连接4、耦合节点10构成，它们通过耦合端口11形成在中央分配器基础结构2和分散分配器基础结构12之间的接口，以及由在中央分配器基础结构2的内部作为分配器起作用的中央网络节点8构成。环形结构由此实现，即中央网络节点8和耦合节点10分别与其相邻部件通过中央网络连接相连。在中央网络连接故障时，电报可以选择环中的各另外的方向。中央网络连接4不必由单个的物理网络连接构成，而是可以具有一定的冗余。也可以考虑无线地或者甚至虚拟地实现网络连接4和14。

下面的耦合节点10通过还是一种类型的分散网络端口16的耦合端口11和分散网络连接14与分散网络分配器18的分散网络端口16连接。分散网络连接14不必由单个的物理网络连接构成，而是可以具有一定的冗余。在该种情况中，在分散网络分配器18上又连接有两个网络设备22。该网络设备22可以例如是在研发部门或者产品计划部门中的PCs。但是其同样可以是在产品中的工业控制装置，该产品发射和接收实时电报。

在该设计方案中，在耦合节点10的中央网络端口6处接收的实时电报现在被分配有比在耦合端口11处接收的更高的优先级30，在该附图中并未示出。这具有一个背景，即在分散分配器基础结构12中的实时电报的优先级30尽管被足够高地选择，但是在过渡到中央分配器基础结构2中时存在完全另外的数据负载。如果多个服务通过中央分配器基础结构2发射和/或接收实时电报，那么其在未改变的优先级的情况下导致，即流逝过多的时间直至特定的实时电报被进一步传输并进而不能实现本发明的目的，也就是高效地区分实时电报的优先次序。通过在中央分配器基础结构中区分实时电报的优先次序，因此可以避免过容并且同时实现非常高的可靠性。

在使用由图1公开的参考标号的情况下，图2示出了融合承载网络1，其由一个中央分配器基础结构2和两个分散分配器基础结构12组成。示出的网络结构也被描述成所谓的梳状结构。在此，中央网络连接4也可以具有冗余。相关于实时电报的优先次序区分和功能方面，为了避免重复，在此参阅图1中的设计方案。

图3示出了优先级30和对其进行反映的不同级别的示意性和示例性的图示。在该实施例中存在三个优先级，最高优先级PN1、中间优先级PN2和最低优先级PN3。示出了在周期32和周期33期间的服务A，B，C的电报31的优先级30。在周期32中，电报31C已经被指派有最高优先级PN1。电报31B被指派有中间优先级PN2并且电报31C被指派有最低优先级PN3。此外可见，电报31A的优先级30从周期32提上至跟随其后的周期33。在该种情况中，服务A例如可能是这样的一种服务，其发射和/或接收实时电报，并且由中央网络端口6将电报31A从周期32提高优先级至周期33。

本发明涉及一种用于对融合承载网络1中的、尤其是工业网络和/或“时间敏感网络”(TSN)中的实时电报区分优先次序的方法，其中，融合承载网络1具有至少一个中央分配器基础结构2和至少一个分散分配器基础结构12，并且其中在融合承载网络1中至少一个服务发射和/或接收实时电报，并且其中融合承载网络1具有至少一个耦合节点10，其是用于连接中央分配器基础结构2和分散分配器基础结构12的中央网络节点8，并且耦合节点具有至少一个耦合端口11，耦合节点10通过该耦合端口与分散分配器基础结构12连接，其中，耦合节点10具有中央网络端口6，耦合节点10通过该中央网络端口连入到中央分配器基础结构2中。为了高效地区分实时电报的优先次序而提出，在耦合节点10的中央网络端口6处接收到的实时电报被分配有比在耦合端口11处接收到的实时电报更高的优先级30。

Claims (12)

1.一种用于对融合承载网络(1)中的实时电报区分优先次序的方法，其中，所述融合承载网络(1)具有至少一个中央分配器基础结构(2)和至少一个分散分配器基础结构(12)，并且其中在所述融合承载网络(1)中至少一个服务发射和/或接收实时电报，并且其中所述融合承载网络(1)具有至少一个耦合节点(10)，所述耦合节点是用于连接中央分配器基础结构(2)和分散分配器基础结构(12)的中央网络节点(8)，并且所述耦合节点具有至少一个耦合端口(11)，所述耦合节点(10)通过该耦合端口与所述分散分配器基础结构(12)连接，其中，所述耦合节点(10)具有中央网络端口(6)，所述耦合节点(10)通过所述中央网络端口连入到所述中央分配器基础结构(2)中，其特征在于，给在所述耦合节点(10)的所述中央网络接口(6)处接收到的实时电报分配有比在所述耦合端口(11)处接收到的实时电报更高的优先级(30)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，给在所述耦合端口(11)处接收到的实时电报分配有比在所述耦合节点(10)的所述中央网络端口(6)处接收到的实时电报更低的优先级(30)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，给在另外的中央网络端口(6)处的实时电报分配有相应较高的优先级(30)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，动态地给出所述实时电报的所述优先级(30)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于负载地给出所述实时电报的所述优先级(30)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过分别进行接收的网络端口实现对所述实时电报的优先次序区分。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述融合承载网络是工业网络中。

8.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的网络布置，其特征在于，所述网络布置具有带有至少一个耦合节点(10)的至少一个中央分配器基础结构(2)和至少一个分散分配器基础结构(12)。

9.根据权利要求8所述的网络布置，其特征在于，所述中央分配器基础结构(2)具有环形结构。

10.根据权利要求8或9所述的网络布置，其特征在于，所述中央分配器基础结构(2)具有梳形结构。

11.根据权利要求9或10所述的网络布置，其特征在于，所述网络布置是工业制动化***的一部分或者能连接在所述工业制动化***上。

12.一种用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的网络设备，其中，所述网络设备计成开关、集线器、路由器、网络适配器或者网络分配器。