CN116018786A - 用于运行网络的方法 - Google Patents

Abstract

提出一种用于运行网络的方法，所述网络具有在网络中的多个参与者。所述网络为此包含至少一个交换机(10、11、12)、至少两个终端设备和至少一个控制器。现在按照本发明，所述控制器通过应用协议与所述终端设备之一通信。为此将数据作为数据包发送和/或接收。为了通信的在时间上的可计划性，设置用于发送数据包的时隙，这些时隙适配于最大可能的包大小。所述时隙为此具有时间开端和时间尾端，其中，这些时隙在网络的不同分支中可以重叠。为了优化通信时间可以改变包大小(5)。为了不浪费网络中的带宽，所述时隙相应地通过时间开端和时间尾端的变化适配于包大小(6)。

Description

用于运行网络的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行网络、特别是自动化网络的方法。

背景技术

所述方法应适合于将自动化网络的组件集成到现有的多功能网络中、例如集成到以太网网络中、特别是集成到被设计为以太网总线的现场总线网络中。

在诸如SERCOS III的现有的自动化网络中通常存在局限，即，自动化网络中的设备是网络的仅有的用户。并且尽管自动化网络同样实施为以太网网络，但将这样的自动化网络集成到现有网络中并非易事。

这些困难包括限制、例如与网络拓扑结构相关的限制，所述限制相应地使得集成到其他网络中令人感到困难直至不可能。

也应变得可能的是，将自动化网络集成到TSN网络中。开发了TSN，以便在网络中能实现时间密集的数据传输。通过TSN功能也能预测传输时间。所述TSN网络在IEEE 802.1下标准化。

在SERCOS III网络的示例中，在网络中的两个参与者之间通信开始时可以规定要发送和/或要接收的数据的包大小。因为在通信开始时还未确认究竟发送多少数据，所以数据的包大小首先被最大化。

在通信期间于是可以将所述包大小适配于数据量，以便在网络中优化通信。特别是在使用TSN网络的情况下，所述包大小的调整是对于数据传输的可计划性的辅助手段。

为此，为数据包设置相应的时隙，在所述时隙内发送数据包。为了计算总共的通信时间于是可以将各个时隙相加，因为所有数据包在这些时隙内发送或接收。

例如，从WO 2018/215209 A1中已知自动化网络中的相应已知的通信。在此，各设备主要以线形拓扑结构连接并能通过数据电报实现相应的通信。

从WO 2017/093014 A1中还已知一种用于通过TSN进行工业通信的方法。在此公开在具TSN功能的网络中的基本的通信和协议。

EP 1 193 926 A2为此公开一种具有数据通信的自动化网络，所述数据通信利用时隙。同样公开数据包在时隙内的改变。

US 2011/0182300 A1还公开一种网络，其中利用时隙。在此，各个数据包可以被转移到其他时隙中。然而，该方法含有如下风险，即，在移动时必需的时域已经被其他数据流占用。

发明内容

因此，本发明的任务是将自动化网络集成到现有网络中、特别是集成到TSN网络中。此外，数据传输应鉴于在各网络参与者之间的通信而在时间上优化。

该任务利用主权利要求的特征来解决。

因此提出一种用于运行网络的方法，所述网络具有多个参与者和至少一个交换机。在此，所述交换机用作网络中的节点并且可以在节点的所有方向发送或接收数据。该交换机还包括可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件可以存储并使用与网络中的其他参与者的关系。

同样，所述网络还包括至少两个终端设备和一个控制器。控制器在自动化网络中也称为主站。

根据本发明，所述控制器可以通过应用协议向确定的终端设备发送数据，以便对所述终端设备进行控制。在此，所述应用协议通过OSI网络模型的应用层实现。这意味着，所述通信是通过应用协议在OSI第7层中实现。

以这种方式发送的数据根据用于因特网网络的规范被划分成数据包并且通过网络的数据链路层发送。这意味着，各个数据包在数据链路层或网络层(即OSI模型的第2或3层)内传输。因此，数据包在第2层中作为帧(Frame)或在第3层中作为包传输。

有利地，所述数据作为TSN数据流发送。这意味着，所发送和/或接收的数据的数据流配设有按照IEEE 802.1的时间密集的特征。

现在按照本发明，设置用于发送和/或接收数据的时隙。这些时隙在通信开始时首先适配于最大的和/或最小的亦或任意其他可考虑的包大小或包数量。在通信开始时尚未确认被发送的数据量，从而首先将所述时隙按照最大的包大小或包数量来规定。

所述时隙分别包含时间开端和时间尾端。因此，所有时隙具有如下运行时间，借助于所述运行时间可以计算数据的传输时间、即通过将所述时隙的运行时间相加。备选地或补充地可以纯通过传输速度和数据量来计算数据的传输时间并且不被所述时隙影响。

通信的启动可以通过在网络中的对此有能力的参与者来实现。在使用SERCOS III网络的情况下，该参与者通常是控制器或主机。

在通信期间可以优化数据包的包大小。这意味着，起初的包大小在通信期间在最小与最大的包大小和包数量的范围内降低或增大。由此改变供使用的时隙被数据包的占用。由此，整个通信要么持续更长(在较大的数据量时)要么所述传输缩短(通过减少的数据量)。

超尺寸的时隙引起，所述通信不被人工地放缓，其方式为，所降低的包大小例如也已被一同计划好。在最终建立了通信并且应用程序处理完最终的数据量之后，可以优化时隙的预留。至今仅已知，时隙尾端适配于通信需求，因为最初的预留至今将时隙开端按照最大的包大小设置。由此产生间隙时间，在所述间隙时间内包必需暂停在交换机处，直至下一个时隙开始。

对这样的间隙时间进行优化意味着，所有时隙将向前移动。这意味着，通信持续时间在持续的运行中变化，这作为抖动已知。特别是在流式传输应用中，应避免这样的抖动，因为所述抖动一方面阻碍高效的数据传输而另一方面在接收方处引起另外的空隙或中断。在SERCOS III网络的情况下，只要抖动出现，就将所述网络转为错误状态中。

为了避免抖动，必须移动缩小的时隙。为了避免前述的错误状态，实际上必须同时发生时隙的缩小和移动，这至今实际尚不可能。

通过所述时隙然而首先针对最小和/或最大的包大小来设计，可能的是，不仅移动时间尾端而且移动时间开端。那么通过时隙在通信开始时的超尺寸，各时隙现在可能在时间上重叠并且时隙的时间开端处于实际发送的数据包的时间开端之前。

为了时隙的重叠，所述时隙优选地可以适配于最小要期待的包大小。这通过这样选择各个时隙的时间开端而发生，使得后续的时隙具有与最小要期待的包大小相应的时间开端。

通过各时隙在时间上重叠，可以在数据包缩小时避免在各个数据包之间的空隙。所述时隙于是可以通过所述时间开端和时间尾端适配于数据包的包大小。

通过在缩小数据包时不出现空隙，避免抖动效应并且使数据流保持连贯。时隙的适配因此在要求保护的方法中不是时间关键的。与此相应地，包大小变化可以与时隙的适配相解耦，而不出现抖动效应或错误状态。

在此，数据包及其大小的控制通过在OSI模型的第2层或第3层中的协议来实施，从而应用协议未识别出数据传输的优化。

所述交换机应设置在网络的节点上、优选在控制器与终端设备之间。由此不同的拓扑结构可以从这些节点开始在网络中互连。

根据拓扑结构以环形或线形，自动化网络的终端设备可以串联连接。这也符合自动化网络的正常功能。原则上，多个自动化网络因此可以通过交换机共同地互连在一个网络中，其中，不属于自动化网络的参与者也可以参与同一网络。

优选地提出，控制器和终端设备是自动化总线的参与者。该总线于是作为具有以太网规范的自动化网络来运行。不限制在网络中的控制器和终端设备的数量。

作为特别的实施方式，所述交换机可以用路由器替换，因为路由器也包含交换机的功能。同样可以存在其他参与者、如PC、服务器和/或集线器。

优选地提出，通过优选地实施为软件的网络管理***来配置所述控制器和/或所述交换机(或路由器)，以便能够实施数据从网络参与者到终端设备的期望走向。

附图说明

其他特征由附图得出。图中：

图1示出关于包大小变化的至今问题的框图；

图2示出按照本发明的方法的框图；

图3示出以SERCOS III网络为例的操作阶段。

具体实施方式

图1示出在网络中的通信的部分的示意图。要传输的数据在此划分为数据包并且以网络的现在供使用的带宽发送或接收。

数据包在图中作为划斜阴影的区域示出。示例性地示出，通信包含三个数据包，这些数据包通过网络的不同周期发送或接收。术语周期在此按照IEEE 802.1Q来理解(“时间感知整形”)。各周期这里作为加点的区域示出并且能通过三个交换机10、11、12响应。

为所述数据包设置如下时隙，这些时隙通过加竖直阴影区域示出。在通信开始时这些时隙按照最大的包大小来规定。以此，时隙的时间开端与数据包的开端一致。所述时隙的时间尾端在此由于最大的大小假定而可能大于数据包的时间尾端。最大的包大小由此基于数据量和供使用的带宽而受影响。这在IEEE 802.1Qbv中标准化。

为了优化通信时间，数据包的相应的包大小按时间上的最优值而变化。由此缩短数据包，这在步骤1下示出。

通过数据包的缩短和至今保持相同长度的时隙产生在各个数据包之间的时间上的空隙。各个时隙相邻地实施，这意味着，一个时隙的时间尾端与另一个时隙的开端同时地示出。因此这得出连续的通信。然而在数据包缩小的情况下供使用的带宽未被高效利用。

为了高效利用带宽，可以缩短时隙，其方式为，时隙的时间尾端适配于数据包的时间尾端。这在步骤2中示出。然而，由此在通信中发生在数据流式传输中的空隙，这作为抖动效应已知并且导致在网络中的错误。在SERCOS III网络的情况下由此招致错误状态。

因此必须使各时隙移置或移动，从而又产生连贯的数据流。这在步骤3中示出。为了避免错误状态，必须一起(同时)实施步骤2和3，这相当于步骤4、然而实际上无法实现，因为时隙的移动同样是存在错误的。时隙由于移动可能落入已经预留的时域中。

图2示出对于前述问题的、按照本发明的解决方案。在此，同样在通信开始时产生时隙，这些时隙适配于最大可能的包大小。然而按照本发明，这些时隙这样设计，使得这些时隙重叠。连续的数据流通过数据包在这些时隙之内的不同时间开端来保证。因此，时隙的时间开端不再与数据包的时间开端一致。

如果现在数据包缩小，则通过时隙的重叠总是仍可以保证连续的数据流，而不会出现错误状态。这在步骤5中示出。

现在，通信将总是仍无错误地正常运转，但由于时隙的长度还不是高效的。

相应地建议，将时隙这样适配于缩小的数据包，使得时隙的时间尾端不仅适配于数据包而且也适配于时间开端。这在步骤6中示出。

通过所述方法能实现数据包的尺寸的优化，而不必移动时隙。所述时隙对数据包的适配与数据包的缩小相解耦，从而消除可能的错误源。

在图3中借助SERCOS III运行阶段阐述所述方法。首先，借助于SERCOS III初始化通信(NRT)并且接着朝向M的方向按照应用协议确定网络的拓扑结构(CP0)。

接着，朝向S的方向加载和实施配置(CP1)。在下一个步骤中朝向S的方向确定数据包大小并且在通信期间优化数据包大小(CP2)。作为通信接收方起作用的终端设备从该位置起是对于抖动敏感的。

CP3包括具有优化的包大小的真正的通信。CP4结束通信并且能实现按照相同原理工作的下一个通信。

因而，按照本发明的方法在所标记的区域内实施。相应地，初始的包大小和时隙大小从CP2起规定并且在CP2与CP3之间优化(参见图2中的步骤5和6)。

本申请不限于前述特征。而是可以设想其他实施方式。这样，也可以使用路由器或服务器来代替至少一个交换机。同样，可以使用其他参与者、如PC或集线器。

Claims (14)

1.用于运行网络的方法，所述网络具有在网络中的多个参与者，所述网络包含至少一个交换机(10、11、12)、具有至少两个终端设备和至少一个控制器，

其特征在于，

所述控制器通过应用协议与所述终端设备之一通信，

为此将数据作为数据包发送和/或接收，

设置用于发送数据包的时隙，所述时隙适配于最大可能的包大小，

所述时隙具有时间开端和时间尾端，

并且在包大小改变(5)时，所述时隙通过所述时间开端和时间尾端的变化适配于包大小(6)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置用于发送数据包的时隙，其中，所述时间开端适配于最小可能的包大小。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述网络作为自动化网络实施。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将所述时隙的大小在初始化通信期间通过控制器按照最大可能的包大小来适配。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时隙在时间上重叠。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述包大小的改变在通信期间实施。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述包大小的改变以及时间开端和时间尾端的变化彼此在时间上不相关。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述包大小的改变以及时间开端和时间尾端的变化通过协议来控制，所述协议与应用协议无关地工作。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，各参与者在环形拓扑结构或线形拓扑结构中与交换机(10、11、12)连接。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，多个终端设备串联连接。

11.按照权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述通信借助于数据包在网络的数据链路层内发生。

12.按照权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述交换机(10、11、12)实施为路由器或服务器。

13.按照权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，多个控制器作为网络中的参与者存在。

14.按照权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制器和/或所述交换机的配置通过网络管理***实施。

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