COMPUTERNETZWERK

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Nachrichten in einem Computernetzwerk, wobei das Computernetzwerk eine erste Menge von Rechenknoten umfasst, welche Rechenkoten über zumindest einen Sternkoppler und/ oder zumindest ein Multi- Hop Netzwerk miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten der ersten Menge an Rechenknoten über zumindest eine Kommunikationsleitung mit dem zumindest einen Sternkoppler oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk verbunden ist, und wobei die Rechenknoten untereinander Ethernet-Nachrichten austauschen und der Austausch zumindest eines Teils der Ethernet-Nachrichten der Rechenknoten zeitgesteuert erfolgt.

Weiters betrifft die Erfindung ein Computernetzwerk, beispielsweise ein TTEthernet- Computernetzwerk, wobei das Computernetzwerk eine erste Menge von Rechenknoten umfasst, welche Rechenkoten über zumindest einen Sternkoppler und/ oder zumindest ein Multi-Hop Netzwerk miteinander verbunden sind, wobei jeder Rechenknoten der ersten Menge an Rechenknoten über zumindest eine Kommunikationsleitung mit dem zumindest einen Sternkoppler oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk verbunden ist, und wobei die Rechenknoten untereinander Ethernet-Nachrichten austauschen und der Austausch zumindest eines Teils der Ethernet-Nachrichten der Rechenknoten zeitgesteuert erfolgt.

Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich der Computertechnik. Sie beschreibt ein innovatives Verfahren und unterstützende Hardware, um ein Ethernet Netzwerk welches ein zeitgesteuertes Kommunikationsverfahren implementiert und laut Stand der Technik eine Stern-, Baum-, oder Ringtopologie des Netzwerks voraussetzt, auch in einer Topologie zu nutzen die zum Teil als Bus gestaltet ist. Ein Beispiel eines solchen Ethernet Netzwerks ist TTEthernet laut Standard SAE AS6802.

Die Erfindung liegt im Bereich verteilter Echtzeitsysteme, wobei ein solches Echtzeitsystem aus zwei Arten von aktiven Komponenten besteht: Rechenknoten und Sternkopplern. Rechenknoten exekutieren Funktionen wie zum Beispiel das Messen von Eigenschaften physikalischer Prozesse mittels geeigneter Sensorik, die Berechnung von Stellgrößen, oder die Aktivierung von Aktuatoren, wie zum Beispiel Ventilen. Rechenknoten sind mit anderen Rechenknoten und/ oder Sternkopplern mittels bidirektionaler Leitungen verbunden. Des Weiteren können auch Sternkoppler durch bidirektionale Leitungen miteinander verbunden sein. Der Informationsaustausch zwischen Komponenten funktioniert Nachrichten-orientiert und in der folgenden Beschreibung gehen wir davon aus, dass der Informationsaustausch Ethernet Nachrichten verwendet. Nachrichten können unterschiedliche Identitäten haben, alle Nachrichten mit der gleichen Identität bilden einen„Nachrichten Fluss".

Des Weiteren haben einige der Komponenten, möglicherweise alle Komponenten des verteilten Echtzeitsystems Zugriff auf eine globale Zeitbasis. D.h., die Komponenten des verteilten Echtzeitsystems haben lokale Uhren, die zueinander synchronisiert sind. Der maximale Unterschied zweier nicht fehlerhafter Uhren im verteilten Echtzeitsystem kann berechnet werden. Wir bezeichnen diesen maximalen Unterschied als die Präzision der Uhren im verteilten Echtzeitsystem. Typische Werte für die Präzision sind im Bereich von einstelligen Mikrosekunden, können aber durchaus darunter oder darüber liegen.

In einem derartigen Echtzeitsystem kann das sogenannte zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma implementiert werden, in dem die Rechenknoten Nachrichten nach einem festgelegten zeitlichen Plan (dem sogenannten Schedule) verschicken. Nachrichten, die derart verschickt werden, werden zeitgesteuerte Nachrichten genannt. Das Schedule wird typischerweise derart erstellt, dass die zeitgesteuerte Nachrichten mit möglichst kurzer und möglichst konstanter Dauer durch das Netzwerk zu transportieren.

Ein Beispiel eines Ethernet-basierten Echtzeitsystems, welches das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma implementiert ist das TTEthernet Protokoll. Das TTEthernet Protokoll laut Standard SAE AS6802 verwendet die Begriffe„End System" als Synonym für Rechenknoten und„Switch" als Synonym für Sternkoppler. Des Weiteren sind in TTEthernet alle Nachrichten, die zwischen Rechenknoten und Sternkopplern kommuniziert werden, Ethernet Nachrichten. Ein TTEthernet Netzwerk besteht laut Standard SAE AS6802 immer aus Rechenknoten und Sternkopplern. Rechenknoten sind immer direkt mit einem oder mehreren Sternkopplern verbunden, sodass der Nachrichtenaustausch zweier oder mehrerer Rechenknoten immer indirekt über einen oder mehrere Sternkoppler funktioniert.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Realisierung bzw. Erweiterung von solchen Netzwerken, insbesondere von TTEthernet Netzwerken zu realisieren.

Diese Aufgabe wird mit einem eingangs genannten Verfahren und einem eingangs genannten Computernetzwerk dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß a) das Computernetzwerk eine zweite Menge von Rechenknoten umfasst, welche durch einen Bus miteinander verbunden sind, und wobei der Bus mit dem zumindest einen Sternkoppler und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerk verbunden ist, und wobei b) die zweite Menge von Rechenknoten untereinander Ethernet-Nachrichten austauschen und der Austausch zumindest eines Teils der Ethernet-Nachrichten der Rechenknoten zeitgesteuert erfolgt, und wobei vorzugsweise c) die zweite Menge von Rechenknoten mit der ersten Menge von Rechenknoten Ethernet- Nachrichten austauschen und der Austausch zumindest eines Teils der Ethernet- Nachrichten der Rechenknoten zeitgesteuert erfolgt.

Die vorliegende Erfindung erweitert TTEthernet auf eine innovative Weise, in dem Rechenknoten direkt miteinander mittels eines Busses kommunizieren können. Des Weiteren kann der Bus, der TTEthernet Rechenknoten miteinander verbindet, auch mit einem Sternkoppler verbunden werden. Die vorliegende Erfindung löst dazu ein grundlegendes Problem, nämlich, wie die Rechenknoten in einer Bustopologie zueinander und in Abhängigkeit zu einem bestehenden TTEthernet System, insbesondere einem TTEthernet System laut Standard SAE AS6802 synchronisiert werden können.

Die Erweiterung um die Möglichkeit einer Bustopologie erlaubt kostengünstige Realisierungen von TTEthernet Netzwerken, da Sternkoppler eingespart werden können.

Im Folgenden sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Computernetzwerkes, die alleine oder in beliebigen Kombinationen miteinander realisiert sein können, aufgeführt.

Von Vorteil kann es sein, wenn das Computernetzwerk genau einen Sternkoppler oder genau ein Multi-Hop Netzwerk aufweist, mit welchem die Rechenknoten verbunden sind. Zum Zwecke der Fehlertoleranz von Vorteil ist es, wenn jeder Rechenknoten der ersten Menge an Rechenknoten mit zwei oder mehreren Sternkopplern und/ oder mit zwei oder mehreren Multi-Hop Netzwerken mittels Kommunikationsleitungen verbunden ist und die Rechenknoten der ersten Menge an Rechenknoten redundante Kopien der Ethernet Nachrichten parallel über diese redundanten Kommunikationsleitungen versenden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten über zwei oder mehrere redundante Busse miteinander verbunden sind, derart dass jeder der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten mit zumindest zwei Bussen, vorzugsweise mit allen Bussen verbunden ist.

Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn jeder redundante Bus mit einem ihm eigens zugeordneten Sternkoppler oder einem ihm eigens zugeordneten Multi-Hop Netzwerk verbunden ist.

Jeder Sternkoppler bzw. jedes Multi-Hop Netzwerk ist in diesem Fall genau nur mit einem Bus verbunden.

Weiters kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Rechenknoten der ersten Menge an Rechenknoten und der zumindest eine Sternkoppler oder zumindest ein Sternkoppler eines Multi-Hop Netzwerkes eine synchrone Zeitbasis aufbauen. Diese Zeitbasis kann im zeitgesteuerten Kommunikationsparadigma genutzt werden.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass der oder die Sternkoppler und/ oder der oder die Multi-Hop Netzwerke Ethernet Nachrichten an die Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten schicken, welche Nachrichten zur Synchronisation der lokalen Uhren der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten genutzt werden.

Diese Nachrichten können dann des Weiteren für das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma genutzt werden.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten lokal Information speichern bezüglich der Übertragungsdauern, die auf dem zumindest einen Bus bei der Übertragung der Ethernet Nachrichten an die Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten von dem zumindest einen Sternkoppler und/ oder dem zumindest einen Multi-Hop Netzwerke entstehen.

Diese Information bezüglich der Übertragungsdauern kann genutzt werden, um die Synchronisation der lokalen Uhren der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten zu verbessern.

Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der zumindest eine Sternkoppler und/ oder das zumindest eine Multi-Hop Netzwerk unterschiedliche Ethernet Nachrichten an die Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten über den zumindest einen Bus schickt und diese Nachrichten Information bezüglich der Übertragungsdauern, die auf dem zumindest einen Bus bei der Übertragung von einem Sternkoppler zu dem jeweiligen Rechenknoten entstehen, beinhalten.

Diese Information bezüglich der Übertragungsdauern kann genutzt werden, um die Synchronisation der lokalen Uhren der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten zu verbessern.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der SAE AS6802 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma zu implementieren.

Es kann vorgesehen sein, dass pro Bus maximal einer der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten als Synchronization Master laut SAE AS6802 Standard konfiguriert ist und alle anderen Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten als Synchronization Client konfiguriert sind.

Zweckmäßig kann es sein, wenn der oder die Sternkoppler, mit denen der oder die Busse direkt verbunden sind, als Compression Master laut dem SAE AS 6802 Standard konfiguriert sind.

Es kann vorgesehen sein, dass jene Ethernet Nachrichten, die zur Synchronisation der Rechenknoten der zweiten Menge an Rechenknoten verwendet werden, Protocol Control Frames laut dem SAE AS 6802 Standard sind. Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der IEEE 802.1AS Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma zu implementieren.

Es kann auch vorgesehen sein, dass der IEEE 1588 Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma zu implementieren.

Weiters kann auch vorgesehen sein, dass der IEEE 802.1Q Standard oder ein darauf aufbauender oder nachfolgender Standard verwendet wird, um das zeitgesteuerte Kommunikationsparadigma zu implementieren.

Bei einer günstigen Ausführungsform kann weiters vorgesehen sein, dass der zumindest eine Sternkoppler und/ oder das zumindest eine Multi-Hop Netzwerk nicht-zeitgesteuerte Nachrichten als zeitgesteuerte Nachrichten an Rechenknoten, die über einen Bus verbunden sind, versendet.

Zweckmäßig ist es auch, wenn der zumindest eine Sternkoppler und/ oder das zumindest eine Multi-Hop-Netzwerk zeitgesteuerte Nachrichten, die der zumindest eine Sternkoppler und/ oder das zumindest eine Multi-Hop-Netzwerk von Rechenknoten, die über einen Bus verbunden sind, empfangen, als nicht-zeitgesteuerte Nachrichten an Rechenknoten versendet.

Schließlich ist es noch von Vorteil, wenn der oder die Busse eine, zwei oder mehrere der folgenden technischen Eigenschaften aufweisen: a) als physikalisches Bus Technologie EIA-485 mit einer Datenrate von 10Mbps verwendet wird; b) die Datenübertragung auf dem Manchester Code nach IEEE 802.5 basiert; c) für die Kommunikation der Busteilnehmer wird ein physikalisches Medium auf Basis von geschirmten und verdrillten Zweidrahtleitungen verwendet; d) die physikalische Kopplung der einzelnen Teilnehmer an das Busmedium erfolgt mittels -) Stub-connected terminals oder

-) Daisy-chained terminals; e) als physikalische Bus Technologie MIL-STD-1553B mit einer Datenrate von 10Mbps verwendet wird.

Im Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung an Hand einer beispielhaften Realisierung näher erörtert. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, in dem Rechenknoten 101-105 mittels bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110 mit einem Sternkoppler 201 verbunden sind,

Fig. la ein weiteres Beispiel eines Ethernet Netzwerkes,

Fig. lb ein Flussdiagramm, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert,

Fig. lc ein weiteres beispielhaftes Flussdiagramm,

Fig. 2 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, in dem Rechenknoten 101-105 mittels redundanten bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110, 120 mit redundanten Sternkopplern 201, 202 verbunden sind,

Fig. 3 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert und zusätzlich zum Netzwerk in Fig. 1 auch einen Netzwerkteil als Bus 210 implementiert, über den Rechenknoten 106-108 direkt miteinander kommunizieren können,

Fig. 4 ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert und zusätzlich zum Netzwerk in Fig. 2 auch einen Netzwerkteil als redundanten Bus 210, 220 implementiert, über welchen Rechenknoten 106-108 direkt miteinander kommunizieren können,

Fig. 5 ein Flussdiagram eines Kommunikationsszenarios, wie die Rechenknoten im

Bus 106-108 durch Synchronisationsnachrichten des Sternkopplers 201 synchronisiert werden können, Fig. 6 ein Flussdiagram eines Kommunikationsszenarios, wie die Rechenknoten im

Bus 106-108 durch Synchronisationsnachrichten des Sternkopplers 201 synchronisiert werden können,

Fig. 7 ein Flussdiagram eines Kommunikationsszenarios, wie die Rechenknoten im

Bus 106-108 zeitgesteuert kommunizieren können,

Fig. 8 ein Flussdiagram eines Kommunikationsszenarios, wie die Rechenknoten im

Bus 106-108 und mit Rechenknoten 101-105, die direkt an einen Sternkoppler 201, 202 verbunden sind, zeitgesteuert kommunizieren können,

Fig. 9 ein Flussdiagramm eines weiteren Kommunikationszenarios,

Fig. 10 eine Kopplung der Busteilnehmer mittels Stub- Verbindungen,

Fig. 11 eine Kopplung der Busteilnehmer mittels Daisy-Chain- Verbindungen, und

Fig. 12 einen Kabelaufbau eines Bus-Kabels.

Das folgende konkrete Beispiel behandelt eine der vielen möglichen Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Computernetzwerkes.

In Fig. 1 ist ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, z.B. ein TTEthernet Netzwerk laut Standard SAE AS6802, dargestellt. Rechenknoten 101-105 des Netzwerkes sind mittels bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110 mit einem Sternkoppler 201 verbunden. Die lokale Zeit der Rechenknoten und des Sternkopplers kann zum Beispiel mit dem TTEthernet Protokoll synchronisiert werden. Dazu werden ein oder mehrere Rechenknoten als Synchronization Master konfiguriert und der Switch als Compression Master. Rechenknoten, die nicht als Synchronisation Master konfiguriert werden, können als Synchronization Client konfiguriert werden. Die Rechenknoten tauschen zeitgesteuerte Nachrichten miteinander aus, indem sie die Nachrichten nach einem Schedule an den Sternkoppler 201 schicken, der diese dann weiterleitet.

In Fig. la ist dargestellt, dass auch mehrere Sternkoppler miteinander verbunden werden können und Rechenknoten 101-105 nur mit einer Teilmenge dieser Sternkoppler 203, 205, 207 verbunden sind. Die Kommunikation zwischen zwei Rechenknoten kann dann auch über zwei oder mehr Sternkoppler 203,205,207 erfolgen. Solche Netzwerkstrukturen werden Multi-Hop Netzwerke 1000 genannt. In der folgenden Beschreibung wird nicht explizit auf Multi-Hop Netzwerke eingegangen, es ist aber bekannter Stand der Technik, dass einzelne Sternkoppler durch ein Multi-Hop Netzwerk 1000 ersetzt werden können. Der SAE AS6802 Standard beschreibt auch, wie in diesen Netzwerken die Rechenknoten 101-105 und Sternkoppler 203,205,207 konfiguriert werden.

In Fig. lb ist ein Beispiel anhand eines Flussdiagramms dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert. In dem Beispiel übertragen die Rechenknoten 101, 102 wie in Fig. 1 dargestellt, zeitgesteuert Nachrichten 1101, 1102 über den Sternkoppler 201 an den Rechenknoten 105. Die Besonderheit einer zeitgesteuerten Kommunikation liegt darin, dass die Sendezeitpunkte 1401, 1402 und/ oder die Weiter leitungszeitpunkte 1403, 1404 der zeitgesteuerten Nachrichten bereits vor dem Versenden der Nachricht bekannt sind. Die Sendezeitpunkte 1401, 1402 und/ oder die Weiter leitungszeitpunkte 1403, 1404 können zum Beispiel bereits während des Designs des verteilten Echtzeitsystems festgelegt werden. Die Festlegung der Sendezeitpunkte, Weiterleitungszeitpunkte, Empfangszeitpunkte oder eine Teilmenge davon wird als das Kommunikationsschedule bezeichnet.

In Fig. lc ist ein weiteres Beispiel anhand eines Flussdiagramms dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation illustriert. Im Unterschied zu Fig. lb werden in Fig. lc einem Sendezeitpunkt 1501, 1502 und einem Weiterleitungszeitpunkt 1503, 1504 jeweils Gruppen 1601, 1602 von zeitgesteuerten Nachrichten zugeordnet. Wie in Fig. ld dargestellt, bleibt die Zuordnung von Nachricht zu Gruppe 1601, 1602 bestehen. Das ist allerdings nicht notwendigerweise der Fall, so könnte der Sternkoppler 201 nur den Weiterleitungszeitpunkt 1503 implementieren und, wenn der Weiterleitungszeitpunkt 1503 erreicht ist, alle Nachrichten der Gruppen 1601, 1602 weiterleiten. Im Allgemeinen kann sich Zuordnung von Nachricht zu einer Gruppe pro Rechenknoten und Sternkoppler beliebig neu gestalten.

In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, z.B. ein TTEthernet Netzwerk laut Standard SAE AS6802, in dem Rechenknoten 101-105 mittels redundanten bi-direktionaler Kommunikationsleitungen 110, 120 mit redundanten Sternkopplern 201, 202 verbunden sind. Rechenknoten können nun über beide Sternkoppler 201, 202 miteinander, auch gleichzeitig, kommunizieren. Das heißt, dass die Redundanz in diesem Netzwerk den Ausfall einzelner Komponenten toleriert. Wenn zum Beispiel Rechenknoten 101 mit Rechenknoten 102 kommunizieren möchte so kann er Nachrichten sowohl an den Sternkoppler 201 als auch an den Sternkoppler 202 schicken. Im fehlerfreien Fall leiten dann beide Sternkoppler 201 und 202 die Nachrichten an den Rechenknoten 102 weiter. Wird jedoch einer der beiden Sternkoppler 201 oder 202 fehlerhaft, so ist jedenfalls garantiert, dass der jeweils nicht fehlerhafte Sternkoppler 201 oder 202 die Nachrichten des Rechenknoten 101 zuverlässig an den Rechenknoten 202 weiterleitet.

Um die Synchronisation der Rechenknoten und Sternkoppler fehlertolerant auszuführen, kann das TTEthernet Protokoll verwendet werden. In diesem Fall werden mehr als ein Rechenknoten als Synchronization Master konfiguriert und beide Sternkoppler als Compres- sion Master. Rechenknoten, die nicht als Synchronization Master konfiguriert werden, werden als Synchronization Clients konfiguriert. Damit werden sowohl der Ausfall von einzelnen Rechenknoten oder/ und der Ausfall von einzelnen Sternkopplern toleriert und die Synchronisation der fehlerfreien Rechenknoten und Sternkoppler kann weiterhin aufrechterhalten werden.

In Fig. 3 ist ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, z.B. ein TTEthernet Netzwerk laut Standard SAE AS6802. Zusätzlich zum Netzwerk in Fig. 1 ist auch ein Netzwerkteil als Bus 210 implementiert, über den Rechenknoten 106-108, direkt miteinander kommunizieren können. Wird TTEthernet zur Synchronisierung verwendet, so wird maximal einer der Rechenknoten 106-108, die durch den Bus miteinander kommunizieren, als Synchronization Master konfiguriert, alle anderen dieser Rechenknoten 106-108 werden als Synchronization Client konfiguriert. Der Sternkoppler 201 wird als Compression Master konfiguriert. Die Rechenknoten 106-108 im Bus 210 empfangen Synchronisationsnachrichten von dem oder den Sternkopplern 201, zu dem/ denen sie sich synchronisieren.

In Fig. 4 ist ein Beispiel eines Ethernet Netzwerks dargestellt, welches zeitgesteuerte Kommunikation implementiert, z.B. ein TTEthernet Netzwerk laut Standard SAE AS6802, und zusätzlich zum Netzwerk in Fig. 2 auch einen Netzwerkteil als redundanten Bus 210, 220 implementiert, über welchen die Rechenknoten 106-108 direkt miteinander kommunizieren können. Auch hier gilt, wie im nicht redundanten Fall (Fig. 3), dass, wenn TTEthernet zur Synchronisation verwendet wird, maximal einer der Rechenknoten 106-108 als Synchroniza- tion Master konfiguriert ist und die restlichen Rechenknoten 106-108 als Synchronization Client konfiguriert werden. Um Fehlertoleranz der Synchronisation zu erreichen, werden beide Sternkoppler 201 und 202 als Compression Master konfiguriert. D.h., dass die Rechenknoten redundante Synchronisationsinformation von Sternkoppler 201 und 202 über die jeweiligen Busse 210 und 220 empfangen. Der Ausfall eines Busses und/ oder eines Stern- kopplers ist daher tolerierbar und die Synchronisation der Rechenknoten 101-108 ist weiterhin gegeben.

In Fig. 5 ist ein Flussdiagramm eines Kommunikationsszenarios dargestellt, welches zeigt, wie die Rechenknoten im Bus 106-108 durch Synchronisationsnachrichten 300 des Stern- kopplers 201 synchronisiert werden. Der Sternkoppler 201 schickt periodisch (gegebenenfalls mit kleinem Messfehler) Synchronisationsnachrichten 300 über den Bus 210 an die Rechenknoten 106-108. Der Sendezeitpunkt 401 der Nachricht 300 unterscheidet sich von den Empfangszeitpunkten 501-503 der Nachricht 300 in den Rechenknoten 106-108. Diese Differenzen 601-603 von Sendezeitpunkt 401 zu Empfangszeitpunkt entsprechen den Ubertragungsdauern der Nachricht 300 und ergeben sich durch technologische Charakteristiken des Busses, wie zum Beispiel der Distanz zwischen Sternkoppler 201 und Rechenknoten 106-108. Wie dargestellt, werden die Ubertragungsdauern 601-603 von Rechenknoten zu Rechenknoten daher unterschiedlich sein.

Die unterschiedlichen Übertragungsdauern, insofern sie nicht kompensiert werden, haben direkten Einfluss auf die Qualität der Synchronisation der Uhren in den Rechenknoten 106- 108. Die Rechenknoten können die unterschiedlichen Übertragungsdauern kompensieren, in dem die Ubertragungsdauern 601-603 ausgemessen werden und im Synchronisationsprozess berücksichtigt werden. Wird TTEthernet als Synchronisationsprotokoll verwendet, so kann dazu der„Transparent Clock" Mechanismus und/ oder die„Permanence Function" verwendet werden.

In Fig. 6 ist ein weiteres Flussdiagramm eines Kommunikationsszenarios dargestellt, welches eine Alternative zeigt, wie die Rechenknoten im Bus 106-108 durch Synchronisationsnachrichten 300 des Sternkopplers 201 synchronisiert werden können. In diesem Flussdiagram versendet der Sternkoppler 201 für jeden Rechenknoten 106 individuelle Synchronisationsnachrichten 301-303. Die unterschiedlichen Ubertragungsdauern 601-603 können hier auch bereits vom Sternkoppler 201 kompensiert werden, indem der Sternkoppler Information bzgl. der unterschiedlichen Übertragungsdauern 601-603 in die Synchronisationsnachrichten 301-303 schreibt. Wird TTEthernet als Synchronisationsprotokoll verwendet, so kann dazu der„Transparent Clock" Mechanismus und/oder die„Permanence Function" verwendet werden.

In Fig. 7 ist ein Beispiel eines zeitgesteuerten Kommunikationsschedules für die Rechenknoten 106-108, die über einen Bus 210, 220 kommunizieren, dargestellt. In diesem Beispiel sendet Rechenknoten 106 eine zeitgesteuerte Nachricht 7306 an einen Bus 210, 220 zum Zeitpunkt 7406. Die Rechenknoten 107 und 108 starten den Empfang der Nachricht 7306 zu den Zeitpunkten 7507 und 7508. Außerdem empfängt auch Rechenknoten 106 seine eigene Nachricht ab dem Zeitpunkt 7506. Sobald Rechenknoten 106 den Versendung der Nachricht 7306 abgeschlossen hat und des Weiteren auch der Empfang der Nachricht 106 in den Rechenknoten 107 und 108 abgeschlossen ist, kann einer der Rechenknoten 106-108 im Bus 210, 220 die nächste Nachricht versenden. In diesem Beispiel ist das der Rechenknoten 107, der zum Zeitpunkt 7407 die nächste Nachricht 7307 versendet, die von Rechenknoten 106 und 108 und außerdem vom Rechenknoten 107 selbst zu den Zeitpunkten 75062, 75072 und 75082 empfangen wird. Den Kommunikationsschedules im Bus 210, 220 ist gemein, dass die Zeitpunkte 7406, 7407 des Versendens von zeitgesteuerten Nachrichten 7306, 7307 immer ausreichend weit voneinander entfernt geplant werden müssen, um Kollisionen der zeitgesteuerten Nachrichten am Bus zu vermeiden.

In Fig. 8 ist ein Flussdiagramm eines Kommunikationsszenarios dargestellt. Es zeigt beispielhaft, wie in einem Netzwerk, wie es zum Beispiel in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, zwischen Rechenknoten 101-105, die an einen Sternkoppler 201, 202 oder ein Multi-Hop Netzwerk 1000 angeschlossen sind und Rechenknoten 106-108, die durch einen Bus 201, 202 mit einem Sternkoppler 201, 202 des Netzwerks verbunden sind, zeitgesteuert kommuniziert werden kann.

Das Flussdiagramm beschreibt auf der linken Seite ein Szenario, in dem der Rechenknoten 101 über den Sternkoppler 201 zeitgesteuerte Nachrichten A3101 an einen Bus 210, 220 zu den Rechenknoten 106-108 weiterleitet: Rechenknoten 101 versendet seine Nachricht A3101 zum Zeitpunkt A4101 an den Sternkoppler 201, welcher die Nachricht A3101 zum Zeitpunkt A5201 zu empfangen beginnt und zum Zeitpunkt A4201 weiterleitet. Die Rechenknoten 106- 107, die über einen Bus 210, 220 miteinander verbunden sind, empfangen die Nachricht A3101 vom Sternkoppler 201 zu den Zeitpunkten A5106, A5107 und A5108.

Das Flussdiagramm beschreibt auf der rechten Seite ein Szenario, in dem der Rechenknoten

108, der über einen Bus 210,220 mit dem Netzwerk verbunden ist, eine zeitgesteuerte Nachricht B3108 an das Netzwerk versendet: Rechenknoten 108 versendet seine Nachricht B3108 zum Zeitpunkt B4108. Die Rechenknoten im Bus 210, 220 empfangen die Nachricht B3108 zu den Zeitpunkten B5106, B5107 und B5108. Der Sternkoppler 201 empfängt die Nachricht B3108 zum Zeitpunkt B5201 und leitet sie zum Zeitpunkt B4201 an den Rechenknoten 101 weiter. Rechenknoten 101 empfängt die Nachricht zum Zeitpunkt B5101.

In Fig. 9 ist ein Flussdiagramm eines Kommunikationsszenarios dargestellt. Es beschreibt die Möglichkeit, dass Rechenknoten 101-105, die direkt an Sternkoppler 201, 202 angeschlossen sind, Nachrichten auch zu beliebigen Zeitpunkten (d.h., also nicht zeitgesteuert) verschicken können. In diesem Fall kann ein Sternkoppler 201 diese nicht-zeitgesteuerten Nachrichten speichern und selbst zu vorgegebenen Zeitpunkten an die Rechenknoten 106-108 im Bus 210, 220 versenden. D.h., ein Sternkoppler kann nicht-zeitgesteuerte Nachrichten ebenfalls zeitgesteuert verschicken und dadurch die nicht-zeitgesteuerten Nachrichten zu zeitgesteuerten Nachrichten machen.

Auf der linken Seite zeigt Fig. 9, wie Rechenknoten 101 eine nicht-zeitgesteuerte Nachricht C3101 über den Sternkoppler 201 an die Rechenknoten 106-108, die über einen Bus 210, 220 miteinander verbunden sind, versendet. Das Szenario unterscheidet sich nur in der Semantik von dem Szenario dargestellt in Fig. 8, linke Seite: während in Fig. 8 der Sendezeitpunkt A4101 und zumindest der Weiterleitungszeitpunkt der Nachricht A3101 bereits vor der Kommunikation der Nachricht A3101 bekannt ist, ist das in Fig. 9, linke Seite nicht der Fall. Hier ist der Sendezeitpunkt der Nachricht C4101 beliebig. Daher kann auch der Empfangszeitpunkt C5201 im Sternkoppler 201 variieren. Der Sternkoppler 201 kann aber solche nicht- zeitgesteuerten Nachrichten C3101 als zeitgesteuerte Nachricht C3101T an einen Bus 210, 220 versenden.

Auf der rechten Seite zeigt Fig. 9, wie zeitgesteuerte Nachrichten D3108T von einem Bus 210, 220 an den Sternkoppler 201 versendet werden können. Der Sternkoppler 201 kann jetzt aber die zeitgesteuerte Nachricht D3108T als nicht-zeitgesteuerte Nachricht D3108T weiterleiten, z.B., wie dargestellt an den Rechenknoten 101. Hier, wiederum zum Unterschied in Fig. 8, rechte Seite: während in Fig. 8 der Zeitpunkt D4201 der Weiterleitung der Nachricht B3108 bereits vor dem Weiterleiten gegeben ist, ist das hier in Fig. 9, rechte Seite nicht der Fall. Der Sternkoppler 201 kann die zeitgesteuerte Nachricht D3108T als nicht-zeitgesteuerte Nachricht D3108 weiterleiten.

Die physikalische Bus-Kopplung wird über sogenannte Stub- Verbindungen STB gewährleistet, wie dies in Figur 10 gezeigt ist. Unter„Stub" wird hierbei die Anbindung eines Busteilnehmers TER1 - TER4 an die Busleitung BUS bezeichnet. Hierbei ist es möglich, die Verbindung in einem Stecker direkt (bei dem Busteiltnehmer TER2) oder in einem Kabelbaum (bei den Busteilnehmern TER1, TER3, TER4) durchzuführen, wie dies in Fig. 10 dargestellt.

Bei den Steckern CON handelt es sich beispielsweise um MIL-DTL-38999 Stecker, z.B. mit Type 22D, 20, twinax or quadrax Kontakten.

Eine weitere Möglichkeit der Anbindung über sogenannte„Daisy-Chain" Verwendung wird in Fig. 11 dargestellt. Hierbei wird die Anbindung direkt im Busteilnehmer (Terminal) selbst durchgeführt.

Die Terminierung T der Bus-Leitung an den Enden kann intern oder extern erfolgen, wie dies in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt ist. Eine externe Terminierung wird über einen Widerstand, der im geschirmten Bereich, z.B. im geschirmten Bereich eines Steckers appliziert ist, realisiert. Dieser Widerstand, der für die interne und externe Terminierung verwendet wird, hat typischerweise einen nominalen Wert der Impedanz des Bus-Kabels und weicht von dieser vorzugsweise maximal 7% ab.

Für die Bus-Kommunikation werden vorzugsweise Kabel verwendet, die eine nominale Impedanz von 120 Ω mit einer Toleranz von 10% und einer Dämpfungswert von 24,3dB/100m bei einer Frequenz von 100MHz gewährleistet, z.B. Kabel des Typs BMS13- 80T02C02G024. Der Aufbau des Kabels mit den geschirmten und verdrillten Zweidrahtleitungen ist in Fig. 12 dargestellt.