Verfahren und Vorrichtung zur modularen Lenkung eines AVB- Streams

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines AVB- Streams gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 8. Durch die Erweiterungen der IEEE Arbeitsgruppe TSN (Time Sensitive Networking, IEEE 802.1) wird Echtzeitkommunikation in standardisierten Ethernet Netzwerken ermöglicht. Für die Konfiguration des Netzwerkes wird ein Reservierungsprotokoll verwendet (Stream Reservation Protocol (SRP) , mit dem Haupt- bestandteil „Multiple Stream Registration Protocol", MSRP) , welches sich um die notwendige Einrichtung der Verbindungen (Streams) und die Ressourcenverwendung kümmert.

Hierzu erfolgt in TSN Netzwerken unter anderem eine automati- sehe Einrichtung von EchtZeitverbindungen (Streams) und eine Konfiguration des Netzwerkes durch das Reservierungsprotokoll SRP. Eine Teilaufgabe des Reservierungsprotokolls ist die Be ^¬ rechnung der maximalen Latenz, d.h. der maximalen Verzögerung. Dabei addiert jede Bridge ihren maximalen Beitrag zur Verzögerung eines Streams. Dieser basiert auf der Annahme der ungünstigsten Konstellation (Worst-Case) und bei maximaler Anzahl an Streams, also einem maximalen Reservierungszustand.

In der TSN Arbeitsgruppe erfolgt die Weiterentwicklung der Ergebnisse der AVB Arbeitsgruppe. Bei AVB (Audio/Video

Bridging, IEEE 802.1) wurde das Reservierungsprotokoll entwi ^¬ ckelt - es ist für den Einsatz in Heimnetzwerken definiert.

Bei steigender Anzahl von Streams entsteht in einfachen Netz- werkteilnehmern eine höhere Netzwerklast. In Industrieanwendungen sollen die Endgeräte jedoch möglichst billig sein, die Hauptaufgabe ist nicht die Datenübertragung, es ist die Er- fassung und Auswertung von physikalischen Messwerten. Sehr einfache Endgeräte sind somit nicht möglich.

Industrielle Anwendungen basieren auf der Verarbeitung von mehreren Messwerten die in getrennten Streams übertragen werden und der daraus ergebenen Ansteuerung von Aktoren, ebenfalls mehrere Streams an mehrere Geräte.

Bei mehreren Anwendungen in einem Netzwerk steigt die Anzahl der Streams entsprechend weiter. Bei steigender Anzahl von

Streams entsteht in einfachen Netzwerkteilnehmern eine höhere Netzwerklast. In dieser Art Netzwerken ist daher ein Reservierungsprotokoll essentiell. MSRP begegnet diesem Szenario in dem es die Latenz basierend auf der Worst-Case Annahme berechnet. Die ist notwendig damit beim Hinzukommen eines weiteren Streams im Netzwerk die Latenz nicht erhöht wird. Per Management kann bisher in den Netzwerkkomponenten die maximale Bandbreite für eine gesamte Klasse festgelegt werden. Auch die maximale Anzahl an Res ^¬ sourcen, insbesondere Ports, die sich im Sinne dieser Offen ^¬ barung in jeweils einem integrierten Switch beispielsweise durch eine Zuflussmöglichkeit für Daten, quasi

„Einspeiseport" und beispielweise zwei Weiterleitungsmöglich- keiten für Daten, quasi „Weiterleitungsport", definieren, über die in einem Gerät EchtZeitverbindungen übertragen werden können, kann begrenzt werden. Beides trägt zur Begrenzung des Worst-Cases bei. Insbesondere aufgrund der verwendeten Topologien aber auch der im Einsatz befindlichen Geräte, stößt MRSP, nicht zuletzt durch die Ausrichtung auf Heimnetze, hinsichtlich einer optimalen Lenkung der Streams auf seine Grenzen. Die im industriellen Umfeld bestehende Anforderung an eine hohe Verfügbarkeit wurde bislang somit nicht ausreichend be ^¬ rücksichtigt . Beim Einsatz in Industrienetzwerken gibt es dabei neben der Anzahl der Streams darüber hinaus noch zusätzliche Anforde- rungen denen adäquat begegnet werden muss. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches das bekannte Verfahren anpasst zur Anwendung im in- dustriellen Bereich mit den folgenden Anforderungen.

Das Verfahren soll für einfache Endgeräte mit wenig Speicher einsetzbar sein. Die Anwendungen verwenden dabei Daten aus vielen 10 Devices (d. h. vielen Streams) - die Übertragungs ^¬ zeit aller Streams ist dabei ebenfalls entscheidend (also der Zeitraum vom Beginn der Übertragung bis zum Ende, auch Makespan genannt) .

Darüber hinaus sollen mehrere Anwendungen im Gesamtnetzwerk mit sehr vielen Verbindungen unterstützt werden.

Die Verbindungen müssen dabei auch eine hohe Verfügbarkeit aufweisen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Gat ^¬ tungsbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen Merkmale so ^¬ wie durch die Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Pa- tentanspruchs 10 durch dessen Merkmale gelöst.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von, insbesondere nach dem „Audio/Video Bridging" gemäß IEEE 802.1", AVB, ausgebildeten, Streams in einem Netzwerk basierend auf den Time-Sensitive Networking Standards gemäß IEEE 802.1 er ^¬ folgt die Berechnung einer zu erwartenden Latzenzzeit zumindest auf Grundlage einer von mit dem ein Netzwerkelement des Netzwerks definierenden Gerät einhergehenden Eigenschaft des Geräts korrelierenden Information.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Eigenschaft Rechnung getragen, dass in einem industriellen Umfeld die Eigenschaften der Endgeräte eines Netzwerks in der Regel be- kannt sind. Somit kann eine angepasste Latenzberechnung er ^¬ folgen. Ferner ermöglicht das Verfahren die Ausgestaltung der Netzwerke als Linien-Topologien, die in der Industrie häufig Verwendung finden, so dass das Verfahren eine Anpassung an das industrielle Umfeld maßgeblich unterstützt. Durch die zu ^¬ sätzliche Größe, die durch die korrelierende Information vor ^¬ liegt ist zudem eine genauere Bestimmung der Latenz möglich.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung mit Mitteln geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht durch dessen Implementierung die Verwirklichung der zum Verfahren genannten Vorteile.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche angegeben. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die korrelierende Information durch des ihm zugrundelie ^¬ genden Netzwerkelements signalisiert. Hierdurch werden die anderen Elemente des Netzwerks in die Lage versetzt, über Ei ^¬ genschaften anderer Netzwerkelemente Kenntnis zu erlangen und einer internen Verarbeitung zuzuführen.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei derart weitergebildet, dass zumindest Teile einer Gerätespezifikati ^¬ on, insbesondere eine seitens des Geräts maximal mögliche Bandbreite, zumindest Teilen das Netzwerks als korrelierende Information verfügbar gemacht wird. Durch die Verfügbarkeit von Gerätespezifikationen können Netzwerkelemente der gleichen Topologie auf Basis konkreter Werte, insbesondere Limi ^¬ tierungen, beispielsweise für die eigene Funktion und/oder die des Netzwerks verwenden, wobei insbesondere für den letz ^¬ teren Fall es ausreichend sein kann, wenn nur in bestimmten Netzwerkelemente diese Verwendung erfolgt. Diese Beschränkung auf wenige Elemente wird insbesondere dann möglich wenn ihr die Werte aller Netzwerkelemente zur Verfügung stehen.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird die korrelierende In- formation derart verfügbar gemacht, dass sie durch einen Transportmechanismus des Netzwerks, wie beispielsweise dem „Link Layer Discovery Protocol", LLDP oder seinen Derivaten, im Netzwerk übertragen wird. Durch diese Weiterbildung ist eine mit einem geringen Änderungsaufwand sowohl seitens Pro- tokolls als auch seitens betreibbarer Netzwerkelemente durch ^¬ führbare Implementierung des Verfahrens möglich.

Gleiches gilt bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der die korrelierende Information derart ver- fügbar gemacht wird, dass sich durch mindestens eine Nach ^¬ richt gemäß einem Reservierungsprotokoll, insbesondere gemäß Stream Reservation Protocol", SRP, „Multiple Stream Reserva ^¬ tion Protocol", MSRP, „Multiple VLAN Registration Protocol", MVRP oder Derivaten hiervon, im Netzwerk übertragen wird.

Eine besonders geeignete Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die korrelierende Information zu ^¬ sätzlich zu bestehenden Informationen einer, insbesondere MSRP- oder LLDP-, Nachricht, insbesondere codiert, beispiel- weise ein Wert in einem zusätzlichen Datenfeld, zugefügt wird. Hierdurch wird eine durch die Netzwerkelemente einfach auslesbare Methode zur Bekanntmachung der korrelierenden Information, als ein Parameter, bereitgestellt. Gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, geschieht die Berechnung der Latenz auf Basis der gespeicherten akkumulierten korrelierenden Information. Wenn die Informationen, insbesondere an mindestens einer zentralen Stelle, gesammelt zur Verfügung stehen, lassen sich über das gesamte Netzwerk Aussagen hiervon ableiten und, insbesondere durch die zentrale Einrichtung, ebenso dem gesamten Netzwerk zur Verfügung stellen. Durch die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der die korrelierende Information durch eine, insbesondere am Rand einer Topologie des Netzwerks angeordneten, Bridge der Latenzberechnung zugrundegelegt wird, lässt sich eine derar- tige zentrale Sammlung und Bekanntmachung in idealer Weise, insbesondere automatisiert, umsetzen.

Eine gesteuerte Bekanntmachung der korrelierenden Information erfolgt bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah- rens, bei dem die korrelierende Information als, insbesondere gemäß einem Netzwerkprotokoll, ausgestalteten Management At ^¬ tribut dezidierten Bridges verfügbar gemacht wird.

Alternativ oder ergänzend kann eine lokale Berücksichtigung der eigenen Eigenschaften seitens des Netzwerkelements voll ^¬ zogen werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren derart wei ^¬ tergebildet wird, dass die korrelierende Information in dem ihm zugrundeliegenden Netzwerkelement der Latenzberechnung zugrundegelegt wird.

Die zu den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung, die durch Mittel zur Durchführung der jeweiligen Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun ausgehend von den in den einzigen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die

Figur 1 eine Kommunikationsstrecke zwischen Geräten, wie sie aus dem Stand der Technik als auf einen Bus zu ^¬ greifende Geräte bekannt ist sowie dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz der Latenzberechnung und Darstellung anhand von Datenpaketen, Figur 2 eine Kommunikationsstrecke zwischen in der Indust ^¬ rie typischen Geräten gemäß einem Ausführungsbei ^¬ spiel der Erfindung sowie dem Ausführungsbeispiel zugehöriger Ansatz zur Berechnung der Latenz.

Figur 3 eine Darstellung eines sich einstellenden erfindungsgemäßen Effektes anhand von Datenpaketen.

In der Figur 1 ist als eine typische aus dem Stand der Tech- nik bekannte Anordnung von Kommunikationsgeräten BUS dargestellt. Der Aufbau entspricht dem aus der Bus-Technik bekannten Prinzip, bei dem in der Regel mehrere Geräte Gi... _n gemein ^¬ sam auf einen Datenbus BUS zugreifen. Bei Ethernet Netzwerken sind diese dem Stand der Technik entsprechenden Anordnungen von Kommunikationsgeräten durch Bridges an den BUS Knotenpunkten realisiert.

Der Zugriff auf den BUS erfolgt, wie in einer ersten Teilfigur 1_1 durch die ein- und austretenden Pfeile skizziert, je- weils über einen Port in der Bridge, der in der Darstellung auch für alle an den Bus BUS gemäß Stand der Technik ange ^¬ schlossenen Kommunikationsgeräte vereinfachend in 1_1 darge ^¬ stellt wird. So eine Anordnung wäre gemäß Stand der Technik auch als gemäß Time-Sensitive Networking Standard nach IEEE 802.1 ausgestal ^¬ tetes und für nach dem „Audio/Video Bridging" gemäß IEEE 802.1", AVB, befähigtes Netz mit Bridges in den Knotenpunkten des abstrahierten BUS Netzwerkes denkbar.

In so einem AVB Netzwerk würde standardgemäß ein „Multiple Stream Reservation Protocol", MSRP als Reservierungsprotokoll zum Einsatz kommen, bei dem eine Latenz des Netzwerks, also eine zu erwartende Verzögerung von Streams unter einer Annah- me der ungünstigsten Konstellation (Worst-Case) erfolgt. Diese Latenzberechnung ist notwendig damit beim Hinzukommen eines weiteren Streams im Netzwerk keine weiteren Latenz verändernden Einflüsse hinzukommen, sie also nicht erhöht wird. In so einem Netz kann gemäß Stand der Technik über ein Netzwerkmanagement in den Netzwerkkomponenten (Netzwerkelementen) die maximale Bandbreite für die gesamte Klasse an Geräten festgelegt werden.

In der Teilfigur 1_2 ist das Auftreten und die Behandlung einer Interference Situation anhand der Betrachtung der Datenpakete skizziert.

Zu erkennen ist eine Blockierung der Weiterleitung von Datenpaketen E, Wl durch anderen Traffic. Dies definiert eine Interference Situation. In dieser Situation stauen sich alle ankommenden Daten während der Zeit der Interference und füh- ren zu einer Netzwerklast (L) , die wiederrum zu einer zusätzlichen Latenz führt. Die in dieser Art aufgestaute Last muss dann sukzessive abgebaut werden, quasi abfließen, und trägt zu einer Latenz in Abhängigkeit von der Bandbreite, des je ^¬ weiligen verwendeten Links bei.

Die maximale Anzahl an Ports kann ebenfalls festgelegt wer ^¬ den. Beides trägt zur Begrenzung des Worst-Case bei, so dass sich für das skizzierte Szenario gemäß Stand der Technik die Latenz nach der maximal aufgestauten Datenmenge in der Teil- figur 1_3 angegebenen Gleichung bestimmt:

Lmax ^— IInterference * Sports * BW mit

Lmax · ^— Die maximale aufgestaute Netzwerklast

Lmaxln · ^— Die Maximal von Engerät G eingespeiste Netz- werklast

IInterferenz · ^— Maximale Zeit die zur Aufstauung von Last im Netzwerkgerät führt

Sports · ⁼ Anzahl Weiterleiteports

BW : = Bandbreite der Links des BUS Netzwerkes ergibt .

In Figur 2 ist vereinfacht skizziert eine mögliche Ausgestal ^¬ tung einer im industriellen Umfeld üblichen Busanordnung I_BUS, die auf die vorstehend beschriebenen TSN/AVB Technolo ^¬ gie aufsetzt.

Zu erkennen ist, die für dieses Umfeld typische Linien Topo- logie. Dabei sind oft ein einfacher Switch S i _...n und ein Endge- rät Gi _...n in einem Industriegerät I_G kombiniert. Dabei ist die selbstgenerierte Datenmenge (L _max i _n )der Industriegeräte (Gerä ^¬ te) I_G, erzeugt durch G, gering.

Es besteht die Hauptaufgabe der Endgeräte I_Gi _...n darin, ankom- mende Daten durch den integrierten Switch S i _...n in Richtung ei ^¬ ner programmierten Steuerlogik („Programmable Logic Controllers", PLC) , wie beispielsweise einer SIMATIC PLC, weiterzu ^¬ leiten . Wie zu erkennen, ist der Aufbau vergleichbar der bekannten

BUS-Technik und folgt dem Prinzip bei dem alle Teilnehmer ihre Daten auf den Bus - also die Kommunikationsstrecke zwi ^¬ schen den Geräten I_G - legen. Dadurch entsteht in einer integrierten Switch S i _...n ein, in der Darstellung der Teilfigur 2_1 durch das Ende des senkrechten Pfeils gekennzeichneten, Einspeiseport über den die Daten von einem Endgerät Gi _...n zum logischen Kommunikationsbus I_BUS gelangen und zwei, durch den durch die beide Seiten ei- ner Switch S durchdringenden waagerechten Pfeil in der Darstellung gekennzeichneten, Weiterleiteports über den ankommende Daten weitergeleitet werden müssen.

In der Teilfigur 2_2 ist nun schematisch skizziert, wie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die Latenz bzgl . einer maximalen Einspeisebandbreite Lmaxin dem Bus I_BUS als Parameter zur Verfügung stellt, sich erfindungsgemäß die Beiträge zur Bestimmung einer akkuraten Latenzaussage ergeben .

Die hier angesprochene Einführung eines Parameters berück sichtigt auf vorteilhafte Weise den typischen Aufbau von raten im Industrieumfeld.

Ferner stellt sie eine Möglichkeit zur Unterscheidung der Bandbreite pro Port zur Verfügung, in dem beispielsweise Li- mits der Einspeisebandbreite Li _n pro Port eingegebenen werden können. Also jeweils die maximale Einspeisebandbreite L _max i _n .

Zur Bereitstellung des Parameters kann dabei durch eine Erweiterung des Reservierungsprotokolls (MSRP) um diesen Para- meter erfolgen und den Vorteil bewirken, dass eine Liniento- pologie mit optimierter Latenzaussage realisiert werden kann. Die Erfindung überwindet daher den Mangel, dass die Bauart der Geräte nicht in der Latenzberechnung Niederschlag findet, weil eine für alle Geräte gleiche, gültige Worst-Case-Annahme dies verhindert.

Die Bereitstellung der Information der Latenzzeit Li _n aufgrund der maximalen Bandbreite pro Port kann dabei außer im Reservierungsprotokoll auch über einen anderen Transportmechanis- mus, wie beispielsweise dem LLDP, erfolgen und hiermit zu ei ^¬ ner Netzwerkkomponente übertragen werden, wobei bei einer integrierten Switch dies auch direkt eingetragen werden kann. Woraufhin eine optimierte Latenzberechnung folgen kann. Eine derartige Latenzberechnung ist in der Teilfigur 2_3 durch die Funktion

Lmax ^— min (Tjnterference * Sports * BW, Tinterference * BW Lmaxin) mit

L '-max Die maximale aufgestaute Netzwerklast

Interferenz Maximale Zeit die zur Aufstauung von Last im Netzwerkgerät führt

riports := Anzahl Ports

BW := Bandbreite der Links des I_BUS Netzwerkes L _max in := Die Maximal von Endgerät G eingespeiste Netz ^¬ werklast gegeben . Eine sich hieraus ergebende Latenzzeit T _La ist dabei durch den Quotienten aus Latenzzeit und Bandbreite der Links gege ^¬ ben .

In Figur 3 ist anhand von Datenpaketen dargestellt wie sich beispielsweise in einem gemäß obigen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Erfindung auswirkt.

In Teilfigur 3_1 ist dabei der Fluss bzw. die Quelle der ein ^¬ zelnen beteiligten Datenpakete dargestellt. Zu erkennen ist, dass alle ankommenden Pakete E, Wl, die in der dargestellten Entität durch zur Entität laufende Pfeile skizzierten sind, vom Endgerät stammen oder vom vorhergehenden ersten

Weiterleiteport (Wl) . Ferner ist zu erkennen, dass diese an ^¬ kommenden Pakete E, Wl über einen zweiten Weiterleiteport W2 der Entität weitergeleite werden.

Dies kann dann zu einer in der Teilfigur 3_2 dargestellten Situation führen, bei der die Weiterleitung durch andere Traffic blockiert ist. Hierbei kommt es also zu einer

„Interference" in der Entity (Bridge) . Auch hier stauen sich erst einmal alle ankommenden Daten aber im Gegensatz zum Stand der Technik, die sich darunter befindende Datenmenge des Endgeräts nur im Rahmen der maximal bekannten Datenmenge (L _max ) , die eben wie erkennbar ist kleiner der maximalen Band- breite von allen Ports ausfällt.

Auch hier führt dies zu einer Stauung während der Zeit der Interference Ti _{n e} rferenz und führt somit auch zu einer Netz- werklast, die wiederrum eine Latenz (T _La ) zur Folge hat. Die ^¬ se ist aber angepasst und hat zudem dadurch den Vorteil auch kleiner ausfallen zu können.

Die Erfindung ist nicht auf die erläuterten Ausführungsbei ^¬ spiele beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentan ^¬ sprüche definierten Ausgestaltungen, die eine Einführung eines Port-spezifischen Parameters zur Beschreibung der maximalen Bandbreite bewirken und unter Anderem auch folgende Merkmale und Vorteile aufweisen:

• Unterstützung der Linientopologie mit besserer Latenz- aussage und hierdurch Ermöglichen von Industrieanwendungen in Linientopologie,

• eine Erweiterung eine Transportmechanismus, insbesondere eines Reservierungsprotokolls, die automatische Konfigu ^¬ ration anhand von Wissen im Endgerät in den betroffenen Netzwerkkomponenten ermöglicht.

• Berücksichtigung zusätzlicher Information der maximalen Einspeiselast des Endgerätes, durch Berücksichtigung der Bauart des jeweiligen Gerätes, welche beispielsweise durch automatische Summenbildung am Edge-Port des Netzwerkes genutzt wird,

• keine zusätzliche Konfiguration durch den Anwender notwendig,

• geringere garantierte Latenz für Verbindungen durch realistischere Latenzberechnung, welche kürzere Anwendungs ^¬ zyklen ermöglicht,

Umfasst sind auch Weiterbildungen bei dem der neue Parameter nur lokal im Gerät berücksichtigt werden, wie beispielsweise bei einer integrierten Bridge oder Verfügbar machen des Parameters als Management-Attribute in bestimmten Bridges. Die max . Bandbreite kann in Edge-Bridges, beispielsweise am Ende einer Linie, automatisch berechnet und im Netzwerk berücksichtigt werden.