Verfahren zur performanten Datenübertragung in einem Datennetz mit teilweise Echtzeit-Anforderungen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Industrielle Anwendungen, so wie verteilt laufende IO-Systeme in der industriellen Automatisierung, sind abhängig von der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eines deterministischen Da- tentransports . Das bedeutet, dass die zu übertragenden Daten möglichst in Echtzeit, zuverlässig und mit geringer Latenz dem Empfänger zugestellt werden. Dabei zeichnet sich die Da ^¬ tenübertragung in diesen Netzen unter anderem dadurch aus, dass hier kleinere, vorhersehbare Datenmengen in regelmäßigen Abständen vorplanbar übertragen werden, beispielsweise Messwerte von Sensoren oder Steuerbefehle an Aktoren in der industriellen Anlage. Die Datenmengen sind meist in einem

Burst, oder auch Stream genannt, also einem Menge von mehre ^¬ ren Datenframes zusammen gefasst.

In der Vergangenheit wurde speziell für diesen Zweck und für den Einsatz im industriellen Umfeld entwickelte Hardware verwendet, um industrielle Netze aufzubauen, bevorzugt in BUS Topologie, d. h. alle Teilnehmer sind verbunden durch einen gemeinsamen Nachrichtenweg. Ein solches BUS System ist bei ^¬ spielhaft in der Figur 1 dargestellt, wobei über die Übertra ^¬ gungsstrecke NB, enthaltend die Netzelemente B0 ... B3 diverse Teilnehmer 11, 12 ,13 angeschlossen sind, welche miteinander kommunizieren können.

Das BUS System ist aber nicht ausschließlich verwendet, eine alternative Topologie ist beispielsweise der Ring NR, so wie in der Figur 2 dargestellt, hier sind die Netzelemente B0 ... B3 in einer Ringstruktur miteinander verbunden, was bei der Übertragung von Datenpaketen zwischen den angeschlossenen Teilnehmer 11, 12 ,13 zwei Übertragungsrichtungen zulässt.

Gegenwärtig wird die standardisierte Ethernet Technologie in fast allen modernen Netzen für den Datentransport verwendet. Die Hersteller von industriellen Automatisierungsanlagen entwickeln daher Lösungen basierend auf Ethernet, mit dedizier- ten Hardware-Erweiterungen um den Anforderungen der Applikationen gerecht zu werden, und garantieren das gewünschte Echtzeit-Verhalten des Netzwerks.

Eines dieses so ausgelegten Systems ist PROFINET, kurz für Process Field Network. Profinet nutzt TCP/IP und IT- Standards, ist Echtzeit-Ethernet-fähig und ermöglicht die In ^¬ tegration von Feldbus-Systemen. PROFINET selber definiert zwei Echtzeit-Protokolle : RT (Real Time) und IRT (Isochronous Real-Time) um zeitkritische Daten für die Profinet 10- Anwendungen mit verschiedenen Echtzeit-Anforderungen zu übertragen . Profinet RT läuft auf Standard Ethernet Hardware und behan ^¬ delt die Profinet 10 Anwendungen mit Zykluszeilen bis zu 10 ms. Auf der Data Plane Ebene benutzt es Prioritäten der Stan- dard-Ethernet-Vermittlungstechnologie um Echtzeit-Daten mit einer höheren Priorität zu übertragen als die normalen Daten, die nicht in Echtzeit übermittelt werden müssen. Der Vorteil von Profinet-RT besteht darin, dass das Betreiben keine Zeitsynchronisation der Netzelemente erfordert und daher mit ge ^¬ ringem Engineering-Aufwand auskommt.

Allerdings bietet die ausschließliche Verwendung von Profi- net RT nur ein geringes Echtzeit-Verhalten, weil auch die

Übertragung eines Datenpakets mit hoher Priorität einen Über- tragungs-Delay von bis zu einem maximal großen Daten-Frame pro Sprung von einem Netzelement zum nächsten hat. Für IO-Anwendungen mit schnellen Kontroll-Schleifen wie bei der Motion Control in einem Antriebssystem bietet Profinet IRT einen hohen Grad an Determinismus und kann Zykluszeiten unter 1 ms, bis zu 31,25 ys, anbieten. Profinet IRT verwendet Zeit-Synchronisation mit einem Jitter, (also einem zeitliche Taktzittern bei der Übertragung von Digitalsignalen) von weniger als 1 ys, eine Übertragung mit Zeitplanung ( time-scheduled , ähnlich TDMA, Time Division Multiple Access) und sogenannte „Cut-Through"-Vermittlung, d. h. die Vermittlungsstation leitet den zu übertragenden Datenframe bereits weiter bevor er vollständig von der vorherge ^¬ henden Vermittlungsstation empfangen wurde.

Diese beiden Übertragungsverfahren benötigen, wie bereits erläutert, konkrete Hardware, die geeignet ist für den Einsatz in einem industriellen Ethernet.

Das Prinzip von IRT sieht vor, den IRT Daten-Transfer (die Übertragung von IRT Daten) vor Störungen durch anderen Daten- Transfer (RT und weitere, nicht-RT-Daten) zu schützen. Dies geschieht durch Verwendung von zweckbestimmten Zeit-Fenstern (Reservierte Bandbreiten für die „Red Phase", „Green Phase" und „Yellow Phase" von Profinet IRT) und minimalisieren den Zeitverzug (Delay) der IRT Daten-Frames an den Bridges (Ver ^¬ mittlungsstellen) durch die Verwendung der oben beschriebenen Cut-Through-Vermittlung .

Die „Red Phase" ist dabei streng reserviert für PROFINET RT Klasse 3, das die höchste Priorität hat, d. h. in dieser Zeit dürfen keine anderen Datenpakete übertragen werden.

Um diese Anforderungen zu realisieren benötigt man ein Offline-Engineering-Tool um die Übertragungszeit jedes IRT Da ^¬ ten-Frames an der Quelle zu berechnen (auch „Injection Time", Einspeisung) und den IRT-Zeitplan (Schedule) an jeder Bridge. Um zu garantieren, dass alle IRT Frames an jeder Etappe mit ^¬ tels Cut-Through-Vermittlung weitergeleitet werden, ohne einander zu behindern muss das IRT Scheduling Tool mit dem maximalen Synchronisationsfehler planen und rechnet eine aus- reichend große Zeitlücke als Sicherheitspuffer für den jewei ^¬ ligen Einspeisungszeitpunkt (Injection Time) zwischen zwei beliebigen Daten-Frames, die durch zwei verschiedene Daten ^¬ quellen erzeugt/gesendet wurden und die sukzessive vom selben Ausgangsport (Egress-Port ) einer Vermittlungsstelle (Bridge) entlang einem Übertragungspfad weiter geleitet werden sollen. Der Vorgang des Weiterleitens selbst ist hochgradig abhängig von der zugrundeliegenden Hardware-Implementierung. Der Zeit- plan/Schedule berücksichtigt alle HW-Einflüsse und ist daher nur in der bekannten Topologie anwendbar, mit HW-Geräten die in der Planung berücksichtigt wurden. Solche Konflikte würden zu Datenverlust führen weil ein Zwischenspeichern / Queueing üblicherweise von der Cut-Through Vermittlung nicht angeboten und der Datenframe verworfen wird.

Im folgenden wird auch von Systemauslegung gesprochen. Darunter wird verstanden, dass man eine vorbekannte Menge von Da ^¬ ten-Frames in einem Netzwerk garantiert übertragen können muss, also ohne Datenverlust und innerhalb einer garantierten Übertragungszeit, unabhängig von der zugrunde liegenden Topo ^¬ logie. Dafür wird die maximale Anzahl an RT Daten-Frames be ^¬ stimmt, die garantiert im Netz ohne Datenverlust übertragen werden kann, bei bekannter maximaler Anzahl von Hops im Netz und maximaler Patetlänge der RT Frames (bei TSN auch Streams genannt) und einer bekannten Latenz (Verzögerungszeit) an den Vermittlungsstellen .

An den Protokollen für Ethernet wird konstant weiter entwi- ekelt. Die AVB (Audio Video Bridging) Working Group der IEEE hat eine Menge von Features für die zuverlässige Übertragung von Audio- und Video-Daten innerhalb einer maximaler Latenzzeit definiert.

Eine neue Art von Datenverkehr, der sog. „Reserved Traffic" wird eingeführt. Audio- und Video-Daten, die periodisch auf ^¬ treten werden in sog. „Streams" übertragen. Die Informationen zur Netz-Konfiguration wird vor dem Nutzer verborgen durch das Stream Reservation Protocol (SRP, IEEE 802.1Qat). Es bie ^¬ tet einen Mechanismus für Zugriffskontrolle implementiert in Kombination mit Reservierung von Ressourcen, so kann eine En- de-zu-Ende Latenzzeit garantiert werden für diesen periodisch auftretenden Datenverkehr (Stream) .

Weiterhin hat TSN als neues Weiterleitungsverhalten den TAS (Time-Aware-Shaper, IEEE 802.1 QBR) Mechanismus eingeführt, um die niedrigste mögliche Latenzzeit zu erreichen. Die Weiterleitung wird durch einen - dem IRT ähnlichen - Zeitplan/Schedule gelöst und ermöglicht die Entwicklung von Echtzeit-Systemen mit der niedrigsten Latenzzeit für jeden Daten-Frame .

Zusammenfassend kann man sagen, dass derzeit fast alle Her ^¬ steller von industriellen Echtzeit-Systemen speziell für diesen Zweck entwickelte Hardware verwenden, um hochperformante Systeme zu erhalten. Diese weisen allerdings eine geringe Flexibilität bezüglich einer Änderung des Anwendungsszenarios auf. Alternativ dazu wird standardisierte Hardware verwendet, welche bei flexibleren Anwendungsmöglichkeiten eine schlechtere Performanz aufweist. PROFINET definiert, wie oben bereits beschrieben, RT (Real- Time) und IRT (Isochromos Real-Time) für die Profinet 10 An ^¬ wendungen mit unterschiedlichen Echtzeit-Anforderungen .

Profinet RT wird auf standardisierter Hardware ausgeführt und ist nicht abhängig von Zeit-Synchronisations-Mechanismen. Es erfordert wenig vorab Engineering-Aufwand. Da das Konzept auf der Priorisierung von Datenpaketen basiert bietet es nur beschränkt Echtzeit-Möglichkeiten . Profinet IRT benötigt eine spezielle Hardware um einen hohen Grad an Determinismus anzubieten, basierend auf Vorab-Offline Engineering und Planung. Das Scheduling-Konzept ist weniger flexibel und muss aus Stabilitäts-Gründen Sicherheits-Puffer anbieten .

AVB führt ein hochflexibles System ein, das ein einfaches Protokoll für die Endstationen anbietet, um deren Bedürfnisse der industriellen Anwendungen nach Flexibilität zu erfüllen. Die Performanz oder Leistungsfähigkeit eines AVB Netzwerks ist ausreichend um die Anforderungen von Audio- und Video- Anwendungen zu erfüllen, aber die AVB Systeme sind nicht stark genug um die Anforderungen an die Latenzzeiten der industriellen Anwendungen zu erfüllen. TSN ist ein hoch-deterministisches System, das einen Mecha ^¬ nismus anbietet zur Konfiguration einer zeitbasierten Übertragung innerhalb der Vermittlungsstellen / Bridges. Das bie- tet dem Anbieter, einem TDMA-basierten System, die Berechnungsmethode und das Scheduling-Konzept für die benötigte Konfiguration dieser Systeme außerhalb der IEEE Standardisie ^¬ rungsakti itäten . Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur performanten Datenübertragung in einem industriellen Datennetz mit zumindest teilweise Echtzeit- Anforderungen anzugeben, welches mit Standard-Ethernet- Vermittlungselementen für das Kommunikationsnetz realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vermittlung von Echtzeitdaten mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum bevorzugten, performanten Übertragen einer Menge von Datenpaketen in einem industriellen Netzwerk, bestehend aus Vermittlungsknoten, von einem Datensender zu einem Datenempfänger jeweils von einem ersten Vermittlungsknoten zu einem zweiten Vermittlungsknoten, wobei für die Übertragung der Menge von Datenpaketen von jeweils ein Zeitfenster von der Übertragungs-Bandbreite exklusiv reserviert ist und der Beginn des Übertragungs-Zeitfensters bei allen übertragenden Vermittlungsknoten im Netzwerk zeitsyn- chronisiert ist.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 9. Die Vorrichtung, insbesondere der Vermittlungsknoten ist geeignet und aus zum bevorzugten, performanten Übertragen einer Menge von Datenpaketen auf dem Weg von einem Datensender zu einem Datenempfänger von dem Vermittlungsknoten über einen Eingangsport empfangen und einen Ausgangsport zu einem zwei ^¬ ten Vermittlungsknoten übertragen wird, wobei jeweils ein Zeitfenster von der Übertragungsbandbreite exklusiv reserviert ist und der Beginn des Übertragungs-Zeitfensters bei allen übertragenden Vermittlungsknoten im Netzwerk zeitsynchronisiert ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung beschreiben einen Echtzeit-Netz-Plan für industrielle Steuer- und Kontroll-Anwendungen, bei wobei Standard-Ethernet- Vermittlungselemente für das Kommunikationsnetz verwendet werden, insbesondere basierend auf den neuen Mechanismen ge ^¬ mäß der IEEE 802.1 TSN Task Group. Der Ablaufplan kombiniert zeit-getaktete Datenübertragung mit dem Stream Reservierungs ^¬ konzept und bietet so Determinismus mit garantierter maxima ^¬ ler Latenzzeit und Zugangskontrollen zur Laufzeit.

Die Bestimmung der oben erwähnten Systemauslegung kann wie unten beschrieben in den vier Schritten geschehen:

- es wird eine Worst-Case Topologie angenommen (beispiels ^¬ weise ein Bus System mit maximaler Entfernung zwischen Sendern und Empfängern)

- die TAS Fensterlänge für den Zyklus wird festgelegt, z.

B. 50% der Zeit für die geplante EchtZeitübertragung und 50% für sonstigen Daten-Traffic .

- Die verbleibende Burstlänge ergibt sich aus der Diffe- renz der Fensterlänge minus Latenzanteil

- Die so erreichnete Burstlänge ergibt dann die Anzahl der darüber in der Zeit möglichen übertragbaren RT Frames.

Solange die angenommenen Randbedingungen erfüllt sind, können an jeder Stelle im Netzwerk Teilnehmer mit RT Daten-Frames hinzugefügt und entfernt werden, ohne die garantierte Über ^¬ tragung zu gefährden. Durch ein Reservierungsprotokoll werden die Randbedingungen (also maximale Paketlänge und maximale Anzahl an RT Daten Frames) überprüft und ggf. eine weitere Anmeldung abgelehnt.

Der Ansatz führt einen neuen Ressourcen-Reservierungs- Mechanismus ein und vereinfacht die Vermittlung von Datenpa ^¬ keten über das industrielle Ethernet durch Verwendung einer sogenannten „Daisy-Chain"-Topologie (d. h. die Vermittlungs ^¬ knoten sind wie an einer „Kette" aufgereiht, in Bus oder Ring Topologie, siehe Figur 1 oder 2), welche weit verbreitet ist in industriellen Steuersystemen.

In anderen Topologien muss die maximale Anzahl von Stationen beschränkt werden, Sterntopologien und Meshed-Netze (also komplett vernetzte Topologien) können theoretisch verwendet werden, solange ein maximaler „Hop-Count", also die Anzahl der Stationen von Sender zu Empfänger, abhängig von der aktuell verwendeten Topologie, definiert werden kann. Solch ein Transport-Netz kann bestehend aus Vermittlungsstellen/Bridges und Endstationen modelliert werden, wobei die Bridges unter ^¬ einander, wie beschrieben, über Trunk-Ports zu einem Trans- portnetz verbunden sind.

Mit den Endstationen (den Quellen und Senken der erzeugten Daten) sind die Vermittlungsstellen, Bridges über sogenannte „Edge-Ports" verbunden. Ein beispielhafter Aufbau wird in Fi- gur 1 gezeigt.

Das beschriebene Schema ist topologie-unabhängig und erfor ^¬ dert weniger Konfigurations-Informationen im Vergleich zu reinen TDMA (oder ähnlichen) Systemen. Die Konfiguration ba- siert auf einem speziellen Modell für den herkömmlichen Reservierungsmechanismus / Stream Reservation für RT-Echtzeit- Datentransfer in einer vorkonfigurierten RT-Phase.

DATA PLANE

Als erste Maßnahme zum Erreichen einer garantierten Latenz im Netz wird geplanter Datenverkehr analog in der IEEE 802.1 Qbv-2016 standardisiert übertragen. So wie bei Profinet IRT mit seinen roten und grünen Phasen, wird die Zykluszeit in zwei Phasen geteilt. Mit einem geschützten Zeitfenster wird gestartet, welches exklusiv reserviert ist für die Übertra ^¬ gung von Echtzeit-Daten (RT-Phase) . Es wird jeweils gefolgt wird von einem ungeschützten Fenster für anderen Datentrans- fer .

Anders als bei Profinet IRT, das eine explizite Konfiguration der gelben Phase benötigt, bietet der Datentransfer der gemäß dem IEEE Standard eingeplant wird, eine implizierte „Schutz- Band"-Funktion in den Gate Operationen. Um die geplanten

Zeit-Phasen aller Vermittlungsstellen/Bridges auf gemeinsame Start- und Ende-Zeiten auszugleichen, die die Grundlage für den zeitgeplanten Datentransfer sind, basierend beispielsweise auf IEEE 802.1AS-2011 oder einem anderen zeitsynchroni- sierten Protokoll wie IEEE 1588, ist es Voraussetzung, dass alle Netzelemente (Bridges und End-Stationen) zeitsynchronisiert sind.

Die End-Stationen müssen die zyklischen Echtzeit-Daten

Streams am Anfang jedes Zyklus über die sog. „Edge" Eingangs- Ports in das Netz einspeisen und alle zu übertragenden Daten- Frames als Burst-Traffic übertragen. In jeder echtzeitfähigen Bridge werden die empfangenen Echtzeit-Datenpakete gepuffert und in die richtige Ausgangsqueue gepuffert, die dem ge- schützten Übertragungsfenster zugehörig ist und dann im

Store&Forward Modus übertragen werden.

KONFIGURATION

Im Gegensatz zu PROFINET IRT, das vollständig offline und vorab geplant/engineered werden muss, übernimmt dieser Ent ^¬ wurf ein Konfigurations-Modell, das beide Ansätze kombiniert, die Offline Konfiguration und Zugriffskontrolle zur Laufzeit. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Vorgehens ist der geringere Engineering-Aufwand und die angebotene Unterstützung von dy- namischen Konfigurationen von Echtzeit-Datenströmen, verglichen zu anderen zeitbasieren Echtzeit-Lösungen wie PROFINET IRT . Die Haupt-Konfigurationsaufgaben, die vorab offline ausgeführt werden müssen, sind vorrangig im Gebiet der Transport- Klassen (QoS - Quality of Service) , inklusive Transportklas ^¬ sen-Parametern und dem Einrichten des geplanten Datentrans- fers .

Ein netzwerkweiter, konsistenter Prioritätswert muss als QoS Identifier definiert und von allen Echtzeit-Streams verwendet werden. Das Übertragen von diesem Prioritätswert auf eine Transport-Klasse (ausgehende Queue für Echtzeit-Übertragung) auf jeder einzelnen Bridge gehört in die Bridge-lokale Konfi ^¬ guration. Um die zyklischen Schedules für die zeitgetaktete Datenübertragung aufzusetzen ist es erforderlich, eine Kontroll-Liste pro Port-Gate auf jeder Bridge zu konfigurieren, unter Verwendung der verwalteten Objekte, die in der IEEE

802.1 Qbr spezifiziert sind. Alle Bridges im Netzwerk müssen mit dem gleichen Zeitplan arbeiten.

Um eine automatische Netzwerk-Konfiguration auf Stream-Ebene zur Laufzeit zu realisieren, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform das Prinzip des Stream Reservation Protocol (SRP) , IEEE 802.1 Q 2014 verwendet werden. Es wurde als Plug- and-Play Stream-Konfigurations-Mechanismus für AVB Systeme entwickelt .

Das Grundprinzip besteht darin, das Protokoll auf dem Netz ^¬ werk anzuwenden um Zugangskontrolle durchzuführen , Latenz- kontrolle, Bandbreiten- und Ressourcen-Reservierung eingeschlossen für jeden Daten-Stream, der auf dem Netzwerk übertragen werden muss.

WORST-CASE LATENZ

Ein wesentlicher Aspekt des Stream-Reservierungs-Mechanismus ist die Möglichkeit zur Berechnung der Worst-Case Latenz ^¬ zeit, welche abhängig ist von der maximalen Frame-Größe und der maximalen Anzahl von Sprüngen / Hops in diesem Entwurf.

Die Berechnung beruht auf dem synchronisierten Einspeisen von RT Daten-Frames durch die End-Stationen am Anfang der RT Phase und einen bekannten maximaler Netzwerk Durchmesser, der die Worst-Case Latenz eines einzelnen Frames im Netz defi ^¬ niert. Diesen ermöglicht eine vereinfachte Ressourcen-Planung innerhalb des Netzwerks. RT Frames werden im Netzwerk in einem zeitgeplanten Übertragungsfenster gesendet, das für Echtzeit-Datenübertragung reserviert ist, was verhindern soll, dass anderer Datenverkehr die Übertragung beeinflusst. Die vorab bekannten Einspeise- Zeiten bieten die Möglichkeit zur Vereinfachung - alle Brid- ges werden mit demselben Startpunkt und der gleichen Größe des zeitlichen Übertragungsfensters konfiguriert.

Eine weitere Vereinfachung basiert auf der vorab bekannten maximalen PDU (Protocol Data Unit, Daten Frame) Größe der Echtzeit-Übertragung, die Einführung einer maximalen Größe der RT Klasse vereinfacht die Berechnung der Worst-Case La ^¬ tenzzeit und ermöglicht ein neues vereinfachtes Modell für das SRP (Stream Reservation Protocol) .

Garantierte maximale Latenz kann erreicht werden, wenn alle Echtzeit-Ströme des aktuellen Zyklus ihre Datenübertragung vor Ablauf des geschätzten Übertragungsfensters des aktuellen Übertragungs-Zyklus beenden, was in einer gebundenen max . La ^¬ tenz resultiert (Bearbeitungsdauer, auch bezeichnet als „Make Span" für Kommunikation zwischen industriellen Kontroll- Geräten) .

Dieses Prinzip hinter der Berechnung der Worst-Case-Latenz ist ähnlich dem Konzept, das in Stream Reservation für AVB Systeme verwendet wird mit CBSA (Credit based Shaper) zum Weiterleiter bei jeder Teilnetzstrecke, wobei die Latenz auf einer Teilnetzstrecke - nicht Ende-zu-Ende in diesem Ansatz - berechnet wird. Deshalb ermöglicht das beschriebene System im Vergleich zum AVB Netz niedrigere Latenzen. Ein AVB Netz kann interpretiert werden als eine einzelne AVB Bridge und das Re- servierungsschema von Stream Reservaton kann verwendet wer ^¬ den . Das beschriebene System kombiniert ein vereinfachtes

Scheduling-Konzept mit dynamischer Stream-Reservierung und Zugriffskontrolle. Der Vorteil besteht im reduzierten Aufwand für Engineering und gibt Unterstützung für eine dynamische Konfiguration von Echtzeit Streams. Das neue Schema ist topo- logie-unabhängig und erfordert nur sehr geringe Vorab- Berechnung des Zeit-Schedules , was zu vereinfachter Konfigu ^¬ rations-Information führt. Die Konfiguration des Schedule hängt ab von dem maximalen Hop-Count und Übertragungs-Zyklen im Netz und ist identisch für jede einzelne Bridge.

Alle Bridges erhalten die gleiche Konfiguration für den geplanten Datenverkehr während der Design- und Konfigurationsphase .

Alle End-Stationen übertragen ihre Daten in Burst am Anfang der Übertragungsphase, es ist keine framegranulare Koordina ^¬ tion zwischen unterschiedlichen End-Stationen notwendig. Für jedes Schedule-Fenster muss die Auswirkung vom Jitter der Zeit-Synchronisation und bei den Einspeisungs-Mechanismen nur einmal berücksichtigt werden.

In Folge dessen kann die Performanz des beschriebenen Systems besser sein als die von PN-IRT in Netzen mit höheren Verbindungsgeschwindigkeiten .

Der Aufwand für Konfigurationen wird zu einem Minimum reduziert und ermöglicht das dynamische Hinzufügen von Endstatio- nen und Kommunikationsbeziehungen.

Das beschriebene System kann verwendet werden um starke

Transportnetze zu bauen, die mit vorhandenen TSN-Mechanismen eine hohe Performanz leisten, indem sie eine einfache Netz- konfiguration verwenden und Überlast-Situationen zu vermeiden, sowie ein deterministisches Verhalten des Netzes zu ga ^¬ rantieren . Zur Erläuterung sind weitere Figuren beigefügt, es zeigt Figur 3 die Übertragung von Streams in einem geschützten Fenster,

Figur 4 die Übertragung von Streams mit zusätzlichen Übertra- gungslücken zwischen den Datenpaketen,

Figur 5 Switching Delay bei Datenübertragung 802.1,

Figur 6 Switching Delay bei Datenübertragung mit Storing Delay,

Figur 7 mit sequentiellem Switching,

Figur 8 mit parallelem Switching und

Figur 9 ein Beispiel mit einer Ring-Topologie und einem max . Hop-Count <= 4.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine beispielhafte Übertragung von Datenframes Fl, F2, ... Fm auf seinen Stationen von den Sendern 1 ...m zum Empfänger L (auch Listener genannt) . Die Übertragung geschieht über mehrere Sprünge B0, Bl, ... Bn im Netz und er ^¬ folgt jeweils leicht Zeitverzögert (Forwarding Delay Dl, D2, ... Dn) . Es können während der Übertragung auch weitere Zeitlü- cke Gl, G2 zwischen zwei Datenframes entstehen, welche auch in die Gesamtübertragungszeit MS des Datenstream einberechnet wird. Die Gesamtübertragungszeit MS ist dabei kleiner als das für die Übertagung des Datenstreams reservierte Übertragungs ^¬ zeitfenster, RW. Es ist eine Zeitverzögerung erkennbar zwi- sehen dem ersten Einspeisen der Datenpakete bei der ersten

Vermittlungsstelle B0 und dem ersten Einspeisen der Datenpa ^¬ kete bei der letzten Bridge Bn, auch bezeichnet als

Forwarding Delay FDxn .

Die Gesamt-Übertragungszeit MS setzt sich zusammen aus diesem Forwarding Delay FDxn + der Burstlength BL .

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform mit der Weiterleitung von Paketen im Store&Forward Verfahren, d. h. der einzelne Frame wird zuerst komplett übertragen und erst nach dem vollständi ^¬ gen Empfang zur nächsten Station weiter geleitet. In Figur 4 wird als Alternative ein Cut-Through Verfahren gezeigt, wobei die Weiterleitung der Datenpakete bereits in die Wege gelei ^¬ tet wird, bevor sie vollständig übertragen wurden, hier ist der Forwarding Delay Dl, ... Dn deutlich kleiner. Es werden In- terframe Gaps Gll, ... Gn2 zwischen den einzelnen Frames vorge ^¬ sehen, um eine Kollisionsfreie Übertragung zu erhalten. Somit ist die Burst Length BL vermutlich größer, durch die vorhandenen Gaps, dafür ist der Forwarding Delay eher kleiner als bei dem ersten Beispiel.

Durch die Systemauslegung (Topologie mit Linie und Übertra ^¬ gung im Bündel) kann die maximal mögliche Anzahl an Streams allgemein bestimmt werden, siehe Figur 4.

Im Betrieb, Figur 9, wird bei einer neuen Reservierung geprüft ob diese noch erlaubt ist, anhand der „Max. Burst

Length" aus der Systemauslegung. In dem gezeigten Beispiel ist die Anzahl der maximalen Sprünge 4.

Das reale Netzwerk kann dabei weniger Hops besitzen und eine andere Topologie aufweisen. Die Sender und Empfänger können an beliebigen Stellen im Netzwerk angeschlossen werden.

Durch die Systemauslegung wird garantiert, dass die bestimmte maximale Anzahl an Streams (s. „Max. Burst Length") immer im Netzwerk übertragen werden kann, selbst in der Worst-Case Topologie mit Worst-Case Anordnung der Listener und Talker (Als „Bündel an Frames") . Es können auch später noch weitere

Streams angemeldet werden. Bei dem dargestellten Beispiel ge ^¬ hen immer 6 Streams, es erfolgt dann keine Prüfung mehr an- hand der aktuellen Netzwerk Topologie und der vom Stream benutzten Pfade.

Während des Betriebs erfolgt eine Überprüfung der noch ver ^¬ fügbaren Ressourcen, dieser Wert wurde unter Berücksichtigung der Worst-Case Topologie bereits während des Netzwerk-Designs bestimmt.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen nun verschiedene Ausgestaltungs ^¬ formen, was innerhalb einer Vermittlungsstelle Bx passiert, einerseits am Eingangsport Rx (Burst in) und am Ausgangsport Tx (Burst out) .

Jeder Datenframe Fl, F2 besteht aus einem Datenkopf, Header oder auch Präambel genannt, PRE, und dem Datenteil MPDU 1, MPDU_2. Zwischen den Datenpaketen befindet sich hier beispielhaft eine Lücke, IFG, auch Inter Frame Gap genannt.

Figur 5 zeigt ein Beispiel wo bei Empfang von Daten der erste Frame Fl vollständig empfangen wird, (storing delay) aller- dings wir dann bereits während des Empfangs eines zweiten Frames F2 eine entsprechende Weiterleitung des Datenbursts zumindest vom ersten Frame Fl ^λ über den Ausgangsport in die Wege geleitet.

Damit ist die Switching Delay Zeit kleiner als die Summe aus (IFG + PRE + MPDU) * bittime. Switching Delay ist nur die

Zeit in der Übertragungslücke IFG. Übertragen werden die Da ^¬ tenpakete MPDU_1 und MPDU_2 am Stück.

Figur 6 zeigt ein Beispiel, wo die Switching Delay Zeit genau gleich die Summe aus (IFG + PRE + MPDU) * bittime ist. Hier wird die Übertragung jedes einzelnen Datenpakets quasi ge ^¬ trennt gepuffert.

Die Übertragungslücken in der Darstellung von Figur 6 entstehen, wenn eine Bridge nicht leistungsfähig genug ist und da ^¬ mit diese Lücken in der Übertragung erzeugt - also nicht un- unterbrochen Frames übertragen kann. Diese entsteht bei der Übertragung, ist unerwünscht und muss aber bei der Systemauslegung berücksichtigt werden.

Bei dem in Figur 7 dargestellten Fall ist die Switching Delay Zeit größer als die Summe aus (IFG + PRE + MPDU) * bittime.

Hier haben wir eine Übertragungslücke gap im Ausgangsport. In diesem Fall wird sequentiell vermittelt, d. h. erst wird der erste Datenframe MPDU_1 bearbeitet, dann der zweite usw.

Analog wird dann in Figur 8 ein Fall mit parallelem Switching gezeigt, der gestrichelte Bereich zeigt, dass mit dem Swit ^¬ ching für das zweite Datenpaket bereits begonnen wurde, bevor die Vermittlung vom ersten Datenpaket abgeschlossen war.