WO2020178057A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines tsn-kommunikationssystems - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines tsn-kommunikationssystems Download PDF

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WO2020178057A1
WO2020178057A1 PCT/EP2020/054763 EP2020054763W WO2020178057A1 WO 2020178057 A1 WO2020178057 A1 WO 2020178057A1 EP 2020054763 W EP2020054763 W EP 2020054763W WO 2020178057 A1 WO2020178057 A1 WO 2020178057A1
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communication device
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communication system
operating
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Johannes Von Hoyningen-Huene
Mohamed ABDEL METAAL
Ludwig Arnold LEURS
Rene Guillaume
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Robert Bosch GmbH
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L47/00—Traffic control in data switching networks
    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
    • H04L47/28—Flow control; Congestion control in relation to timing considerations

Definitions

  • the disclosure relates to a method for operating a TSN communication system.
  • the disclosure also relates to an apparatus for operating a TSN communication system.
  • TSN Time Sensitive Networking
  • IEEE 802.1Qbv time-aware shaper
  • TSN Time Sensitive Networking
  • a time sensitive networking, TSN, communication system is a communication system that is based on the Ethernet standard IEEE-802.1Q-2018 (and / or on IEEE 802.1AS or IEEE 1588) and at least one component, in particular one Switch (“TSN switch”), which is designed to work in accordance with the IEEE standard 802.1Qbv.
  • a time sensitive networking, TSN, communication device is a communication device that is based on the Ethernet standard and is designed to work in accordance with the IEEE standard 802.1Qbv.
  • An example of a TSN communication device according to further preferred embodiments is a TSN switch which is designed to work according to the IEEE standard 802.1Qbv, in particular transmission resources such as e.g. cyclical
  • the method has the following steps: determining operating parameters for at least one further communication device which is designed to transmit first data via the TSN communication system, preferably for several further communication devices which are designed to use the TSN Communication system to transmit data, the operating parameters being associated with at least one operating phase of the respective communication device or communication devices, determination of a schedule for the at least one TSN communication device, transmission of the schedule to the at least one TSN communication device.
  • This enables efficient configuration of the at least one TSN communication device or of the entire TSN communication system.
  • Operating parameters have at least one data structure and / or a cycle time.
  • Has operating phases with at least two of the several different operating phases being assigned individual operating parameters, in particular the different operating phases e.g. have at least one of the following elements: identification phase, configuration phase, real-time operating phase.
  • the schedule at least temporarily a) an exclusive use of transmission resources of the at least one TSN communication device and / or the TSN communication system for the transmission of the first data, and / or b) a prioritized (but not exclusive, eg competitive) use of transmission resources of the at least one TSN communication device and / or the TSN communication system for the transmission of the first data.
  • the method further comprises: transmitting the first data from the at least one further communication device via the TSN communication system.
  • the first data can be efficiently transmitted via the TSN communication system, in particular “tunneled”.
  • the first data have at least one data packet, the at least one further communication device identifying the at least one data packet such that it has a reference to the schedule that can be evaluated by the at least one TSN communication device.
  • the data packet in question can be reserved in advance using the schedule
  • Transmission resources are used efficiently for the transmission of this data packet.
  • Further preferred embodiments relate to a device for operating a TSN communication system which has at least one TSN communication device, in particular a TSN switch, the device being designed to carry out the following steps: determining operating parameters for at least one further communication device, which is designed to transmit first data via the TSN communication system, preferably for several further communication devices, which are designed to transmit data via the TSN communication system, the operating parameters being associated with at least one operating phase of the respective communication device or communication devices Determination of a schedule for the at least one TSN communication device, transmission of the schedule to the at least one TSN communication device.
  • Device for performing the method is designed according to the embodiments.
  • Device is integrated in a control device, e.g. in a controller for Industrial Ethernet applications.
  • TSN communication system which has at least one TSN communication device, in particular a TSN switch, and at least one further
  • Communication device which is designed to transmit first data via the TSN communication system, and a device according to the embodiments.
  • Further preferred embodiments relate to a use of the method according to the embodiments and / or the device according to the embodiments for configuring a or the TSN communication system. Further preferred embodiments relate to a use of the method according to the embodiments and / or the device according to the embodiments in a motor vehicle and / or in an industrial production facility.
  • Reconfiguration of the TSN devices is necessary between each change of operating phases or configuration phases, and in real-time operation no transmission resources need to be unnecessarily reserved exclusively, e.g. were only required at the time of commissioning.
  • the principle according to the embodiments can be used in all areas in which e.g. Deterministic, time-triggered communication methods are used which, on the one hand, can have different cycle times and / or data structures during operation, and which, on the other hand, e.g. to be migrated to an operation using TSN communication systems.
  • Such areas include industrial production, but also networks within vehicles.
  • Figure 1 schematically shows a block diagram of a communication system according to preferred embodiments, Figure 2A,
  • FIG. 3 schematically shows a simplified flow diagram of a method according to further preferred embodiments
  • FIG. 4 schematically shows a time schedule according to further preferred ones
  • FIG. 5 schematically shows a simplified block diagram of a device according to further preferred embodiments.
  • FIG. 1 schematically shows a block diagram of a communication system 200 according to preferred embodiments.
  • the communication system 200 is a Time Sensitive Networking (TSN) communication system 200, that is to say a communication system that is based on the Ethernet standard and has at least one component, in particular a switch (“TSN switch”), which is designed according to to work according to the IEEE standard 802.1Qbv.
  • TSN Time Sensitive Networking
  • the TSN communication system 200 has two TSN communication devices 210a, 210b, which are e.g. in each case a TSN switch is involved, that is to say a TSN-capable network coupling element that can connect several network segments and / or terminals or the like to one another.
  • TSN communication devices 210a, 210b which are e.g. in each case a TSN switch is involved, that is to say a TSN-capable network coupling element that can connect several network segments and / or terminals or the like to one another.
  • Communication device 100 is provided, which can be, for example, an industrial control device (for example of the Industrial Ethernet type), such as can be replaced, for example, in industrial production facilities.
  • the further communication device 100 sends first data D1, in particular in the form of corresponding data packets dpi, to the first TSN switch 210a.
  • Further communication devices 20 can also be seen from FIG. 1, which are, for example, terminals such as actuators and / or sensors or the like (for example industrial Ethernet terminals).
  • the second TSN switch 210b in the present case sends data packets dp2 to these terminals 20.
  • the first TSN switch 210a can also receive further data packets dp3 from further components (not shown) and / or the second TSN switch 210b can send further data packets dp4 to further components (also not shown).
  • Data packets dp5 can also be exchanged between the TSN switches 210a, 210b, which in further preferred embodiments, for example, at least partially the others mentioned
  • Data packets dpi, dp2, dp3, dp4 contain or correspond to these or are derived from them.
  • At least some of the data packets can have a priority that requires processing, in particular forwarding, of the data packets, e.g. through the TSN switches 210a, 210b, e.g. Data packets with a higher priority are processed with preference (in particular sent and / or conveyed, etc.) than data packets with a lower priority.
  • the priority according to the IEEE 802.1Q standard can be used.
  • the method described with reference to the flow chart according to FIG. 3 is provided for the operation, in particular for a configuration, of the TSN communication system 200.
  • the method according to FIG. 3 can be carried out, for example, by the optional device 400 from FIG. 1, which or its functionality in other preferred devices
  • Embodiments e.g. can also be integrated into the further communication device 100.
  • the method has the following steps: Determining 300 (FIG. 3) of operating parameters BP for at least one further
  • Communication device 20, 100 which is designed to transmit first data D1 via the TSN communication system 200, preferably for several further communication devices 20, 100 which are designed to transmit data via the TSN communication system 200 , the operating parameters BP being associated with at least one operating phase of the respective communication device (s) 20, 100, determining 310 (FIG. 3) a schedule (“TSN schedule”) ZP for the at least one TSN communication device 210a, 210b, transmitting 320 of the schedule ZP to the at least one TSN communication device 210a, 210b.
  • TSN schedule schedule
  • Communication device (s) 20, 100 can be taken into account with regard to data transmission via the components 200, 210a, 210b in the possibly different operating phases of the respective communication device (s) 20, 100.
  • the TSN schedule ZP can optionally be activated in one or more of the named components 200, 210a, 210b in step 320a.
  • Activation 320a can have the consequence that the relevant components henceforth work according to the schedule ZP, and consequently reserve transmission resources according to the schedule ZP for data to be processed in the future, in particular data packets or data streams.
  • Operating parameters BP have at least one data structure and / or one cycle time.
  • the at least one data structure and / or one cycle time can advantageously be used when forming the time schedule ZP
  • the at least one communication device 20, 100 has several different operating phases, with at least two of the several different operating phases each being assigned individual operating parameters BP.
  • the different operating phases can have at least one of the following elements:
  • TSN communication system 200 different requirements regarding data transmission via the TSN communication system 200 (e.g. size of data packets, cycle time,
  • the schedule ZP at least temporarily a) an exclusive use of
  • the transmission resources required in each case of the components 200, 210a, 210b involved can be efficiently defined and distributed.
  • Process further comprises, cf. Fig. 3: Transmission 330 of the first data D1 from the at least one further communication device 100 via the TSN communication system 200, e.g. to the terminal (s) 20.
  • the first data D1 can be efficiently transmitted, in particular tunneled, via the TSN communication system 200.
  • the first data D1 can be an industrial Ethernet
  • TSN schedule ZP in accordance with the embodiments enables particularly efficient tunneling of such (Industrial Ethernet) data streams D1 through the TSN communication system 200.
  • the first data D1 have at least one data packet dpi (FIG. 1), the at least one further communication device 100 (or the device 400) identifying the at least one data packet dpi in such a way that it is one through the at least one TSN communication device 210a, 210b has an evaluable reference to the schedule ZP.
  • the dpi can be reserved in advance by means of the schedule ZP for the relevant data packet
  • FIG. 2A shows a schematic example of a cycle time ZZ of 1 ms and
  • Data structures correspond, for example, during a first
  • Configuration phase of the communication devices 20, 100 can be used.
  • the cycle time ZZ and the transmission times ZD form
  • FIG. 2B shows a schematic example of a cycle time ZZ ‘of 1 ms and
  • the cycle time ZZ ‘and the transmission times ZD‘ according to FIG. 2B also form operating parameters BP in the sense of the above
  • Step 310 Operating parameters are presently associated with the second configuration phase and possibly included in the determination of the schedule ZP, cf. Step 310, enter.
  • FIG. 2C schematically shows, by way of example, a cycle time of 250 ps, which is not individually designated for reasons of clarity
  • Transmission times of e.g. 80 ps correspond to data structures that, for example, during a real-time operating phase of the
  • Communication devices 20, 100 can be used.
  • FIG. 4 shows a schematic example of a first priority level PS1
  • Priority level PS1 as they correspond to data structures that can be used, for example, during a real-time operating phase of the communication devices 20, 100, the real-time operating phase following the second configuration phase according to FIG. 2B, for example.
  • FIG. 4 also shows a schematic example of a second priority level PS2 (for example correspondingly TSN priority of the values from “0” to “6” according to IEEE 802.1Q) for reasons of clarity also not individually designated
  • the cycle time ZZ ′′ and the transmission times ZD ′′, ZD ′′ Fig according to FIG. 4 also form operating parameters BP in the sense of the embodiments described above with reference to FIG. 3, these operating parameters being associated with the real-time operating phase and possibly in the
  • Step 310 Determination of the schedule ZP, cf. Step 310, enter.
  • FIG. 1 For operating a or the TSN communication system 200 which has at least one TSN communication device 210a, 210b, in particular a TSN switch.
  • the device 400 is advantageously designed to carry out the method according to the embodiments (cf. e.g. FIG. 3) and / or at least individual steps thereof.
  • the functionality of the device 400 may e.g. can also be integrated into the further communication device 100 (and / or at least one of the terminals 20).
  • FIG. 5 schematically shows a simplified block diagram of a device 400 ′ according to further preferred embodiments.
  • the device 400 from FIG. 1 can have the configuration 400 according to FIG. 5.
  • the device 400 ' has at least one computing device 402, at least one storage device 404 assigned to the computing device 402 for at least temporarily storing a computer program PRG, the computer program PRG in particular for controlling an operation of the device 400' and / or executing the method according to the
  • Embodiments is formed.
  • the computing device 402 has at least one of the following elements: a microprocessor, a microcontroller, a digital signal processor (DSP), a programmable logic module (e.g. FPGA, field programmable gate array), an ASIC
  • the memory device 404 has at least one of the following elements: a volatile memory 404a, in particular a main memory (RAM), a non-volatile memory 404b, in particular flash EEPROM.
  • the computer program PRG is preferably stored in the non-volatile memory 404b.
  • the device 400 optionally has a data interface 406 for the transmission of data, in particular
  • TSN time schedules ZP can be transmitted to further communication devices 210a, 210b via this data interface 406.
  • TSN communication system 200 which has at least one TSN communication device 210a, 210b, in particular a TSN switch, at least one further communication device 100, e.g. an (Industrial Ethernet) control device which is designed to transmit first data D1 via the TSN communication system 200, and a device 400 according to the embodiments.
  • TSN communication device 210a, 210b in particular a TSN switch
  • further communication device 100 e.g. an (Industrial Ethernet) control device which is designed to transmit first data D1 via the TSN communication system 200
  • device 400 e.g. an (Industrial Ethernet) control device
  • Further preferred embodiments relate to a use of the method according to the embodiments and / or the device 400 according to the embodiments for configuring a or the TSN communication system 200.
  • Further preferred embodiments relate to a use of the method according to the embodiments and / or the device 400 according to the embodiments in a motor vehicle and / or in an industrial production facility.
  • the TSN network 200 By transmitting, in particular tunneling, the data packets dpi, in particular the (industrial) Ethernet packets, through the TSN network 200 according to the embodiments, a coexistence of (industrial) Ethernet devices 100, 20 with TSN communication systems 200 can advantageously be realized efficiently.
  • the method according to the embodiments advantageously enables
  • the principle according to the embodiments can be used in all areas in which e.g. Deterministic, time-triggered communication methods are used which, on the one hand, can have different cycle times and / or data structures during operation, and which, on the other hand, are to be migrated to operation using TSN communication systems 200.
  • Such areas include industrial manufacturing, but also
  • Networks within vehicles in particular motor vehicles.
  • the principle according to the embodiments enables efficient tunneling of (Industrial) Ethernet data packets dpi through a TSN network, whereby the respective requirements of the Industrial Ethernet standards (e.g. Sercos III, EtherCAT, Profinet IRT) can advantageously be met.
  • the generally high (latency) requirements of Industrial Ethernet protocols can be met by the method according to the embodiments.
  • a “cut-through” method is used, in which an Ethernet packet is then forwarded via another port of the switch before it is still has been completely received on a receiving port of the same switch.
  • the further communication device 100 which is, for example, an industrial controller 100 or a control device of a motor vehicle, is already programmed (“offline”) in advance. That is, it is known in advance
  • the controller 100 can, in particular using the aforementioned a-priori knowledge, the necessary data structures of the (industrial) Ethernet, especially in all necessary configuration steps, e.g. from an identification (see e.g. Fig. 2A) of the devices 20 via their configuration (see e.g. Fig. 2B) and the
  • Real-time operation determine, and / or the respective
  • the controller 100 can change the cycle time and / or the data structure, in particular also during communication with the (Industrial Ethernet) devices 20 via the TSN network 200, without explicitly informing the TSN devices 210a, 210b of this have to.
  • a schedule ZP of the TSN switch 210a, 210b is selected so that the ports (connections) of the switch 210a, 210b are blocked for Ethernet packets with different priorities before the start of an Industrial Ethernet cycle. This ensures that the first
  • Ethernet packets of each Industrial Ethernet cycle are passed through without delay.
  • this can be important, particularly with the “Sercos III” protocol, since the terminals 20, 100 synchronize with this first packet of a cycle to the time of the master.
  • the TSN schedule ZP for a real-time operating phase is preferably selected in such a way that collisions with other, in particular non-time-critical, data packets are excluded. Latency and jitter in the tunneling of the data packets dpi through the TSN network 200 are minimal here. All communication resources that are not reserved exclusively for this Industrial Ethernet data, e.g. Depending on the TSN schedule ZP, are completely available for other services (and / or devices), as they are not required by the Industrial Ethernet system in real-time operation.
  • the Industrial Ethernet system (e.g. comprising the devices 20, 100) can be restarted at will in further preferred embodiments without notifying the TSN devices 210a, 210b, as long as the data structures required for the Industrial Ethernet system are the same as before the TSN was defined - Schedule ZP.
  • Data packets dpi are exchanged between the components 100, 20) must, because the corresponding components 100, 20 are switched off, this must be communicated to the TSN devices 210a, 210b, e.g. by the device 400, 400 ', so that the TSN devices 210a, 210b, possibly with modification of the TSN Schedule ZP who can release reserved time slots.
  • the components 20, 100 can be restarted, for example, by executing the sequence 300, 310, 320 according to FIG. 3 again.
  • the principle according to the embodiments advantageously enables efficient tunneling in particular of time-critical data D1 through TSN networks 200.
  • Ethernet-capable devices such as e.g. Industrial Ethernet devices 20, 100 can also be used (further) in a TSN environment.
  • the calculation of a TSN schedule can be very complex with conventional approaches, so that the calculation of several such schedules can lead to high utilization of the available resources, high energy consumption and a long calculation time.
  • the principle according to the embodiments advantageously reduces the number of time schedules to be calculated.
  • the principle according to the embodiments can ensure that the requirements of Industrial Ethernet systems are met in all phases and that coexisting services can simultaneously use the remaining bandwidth of the TSN network 200. Even if the reservation of the resources within the scope of IEEE 802.1Qbv is referred to above by way of example on the time domain, the principle according to the embodiments is also comparable to other forms of reservation of

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln von Betriebsparametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems
Stand der Technik
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines TSN- Kommunikationssystems.
Die Offenbarung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines TSN- Kommunikationssystems.
In der industriellen Fertigung werden Daten z.B. zwischen industriellen
Steuerungen und diversen Sensoren und Aktuatoren ausgetauscht. Dabei sind Zykluszeiten von unter 1 Millisekunde (ms) möglich. Heutzutage werden dazu spezialisierte Industrial Ethernet Protokolle, wie Sercos III, EtherCAT und Profinet IRT eingesetzt. Diese erlauben sehr kurze Latenzen und Zykluszeiten, sind aber inkompatibel mit Standard Ethernet.
Offenbarung der Erfindung
Aktuell sind jedoch unter dem Begriff„Time Sensitive Networking“ (TSN) Erweiterungen des Ethernet Standards in Arbeit, die ebenfalls zu latenzarmen und zuverlässigen Datenströmen führen. Ein wichtiger Mechanismus bei TSN ist der„Time-aware Shaper“ (IEEE 802.1Qbv), mit dem in den Ethernet-Geräten, wie Endgeräte und Switche, zyklische Zeitschlitze reserviert werden können. In diesen Zeitschlitzen können anschließend zeitkritische Daten durch das
Netzwerk übertragen werden, die während dieser Zeitschlitze nicht durch weitere Datenströme beeinträchtigt werden. Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Time Sensitive Networking (TSN)-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN- Switch, aufweist.
Ein Time Sensitive Networking, TSN, -Kommunikationssystem ist gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ein Kommunikationssystem, das auf dem Ethernet-Standard IEEE-802.1Q-2018 (und/oder auf IEEE 802.1AS bzw. IEEE 1588) basiert und wenigstens eine Komponente, insbesondere einen Switch („TSN-Switch“), aufweist, die dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten.
Eine Time Sensitive Networking, TSN, -Kommunikationseinrichtung ist gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine Kommunikationseinrichtung, die auf dem Ethernet-Standard basiert und dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten. Ein Beispiel für eine TSN- Kommunikationseinrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist ein TSN-Switch, der dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten, insbesondere Übertragungsressourcen wie z.B. zyklische
Zeitschlitze zu reservieren.
Das Verfahren gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln von Betriebs Parametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN- Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN- Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung. Dadurch ist eine effiziente Konfiguration der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung bzw. des gesamten TSN-Kommunikationssystems ermöglicht. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die
Betriebsparameter wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit aufweisen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung mehrere unterschiedliche
Betriebsphasen aufweist, wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebsparameter zugeordnet sind, wobei insbesondere die unterschiedlichen Betriebsphasen z.B. wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Zeitplan zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung und/oder des TSN- Kommunikationssystems zur Übertragung der ersten Daten, und/oder b) eine priorisierte (jedoch nicht exklusive, z.B. konkurrierende) Verwendung von Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung und/oder des TSN-Kommunikationssystems zur Übertragung der ersten Daten festlegt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das
Verfahren weiter aufweist: Übertragen der ersten Daten von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung über das TSN- Kommunikationssystem. Auf diese Weise können die ersten Daten effizient über das TSN-Kommunikationssystem übertragen, insbesondere„getunnelt“ werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die ersten Daten wenigstens ein Datenpaket aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung das wenigstens eine Datenpaket so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan aufweist. Dadurch können die mittels des Zeitplans für das betreffende Datenpaket vorab reservierten
Übertragungsressourcen effizient für die Übertragung dieses Datenpakets genutzt werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems, das wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wobei die Vorrichtung zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet ist: Ermitteln von Betriebsparametern für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung bzw. Kommunikationseinrichtungen assoziiert sind, Ermitteln eines Zeitplans für die wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung, Übermitteln des Zeitplans an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen bzw. die Funktionalität der
Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen in eine Steuerungseinrichtung integriert ist, z.B. in eine Steuerung für Industrial Ethernet Anwendungen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein TSN- Kommunikationssystem, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wenigstens eine weitere
Kommunikationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN- Kommunikationssystem erste Daten zu übertragen, und eine Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen zur Konfiguration eines bzw. des TSN- Kommunikationssystems. Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung gemäß den Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen Fertigungseinrichtung.
Das Verfahren gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft,
Datenstrukturen, insbesondere Industrial Ethernet Datenstrukturen von verschiedenen, insbesondere allen, Konfigurationsphasen, bei der Erstellung des TSN-Zeitplans zu berücksichtigen. Ferner ist vorteilhaft keine weitere
Umkonfiguration der TSN-Geräte zwischen jedem Wechsel von Betriebsphasen bzw. Konfigurationsphasen erforderlich, und in einem Echtzeitbetrieb müssen keine Übertragungsressourcen unnötig exklusiv reserviert werden, die z.B. nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme benötigt worden sind.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann in allen Bereichen genutzt werden, in denen z.B. deterministische, zeitgetriggerte Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, die zum einen im Betrieb unterschiedliche Zykluszeiten und/oder Datenstrukturen aufweisen können, und die auf der anderen Seite z.B. zu einem Betrieb mittels TSN-Kommunikationssystemen migriert werden sollen. Solche Bereiche sind unter anderem die industrielle Fertigung, aber auch Netzwerke innerhalb von Fahrzeugen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems gemäß bevorzugten Ausführungsformen, Figur 2A,
2B, 2C jeweils schematisch eine Zyklusstruktur einer Kommunikation gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
Figur 3 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
Figur 4 schematisch einen Zeitplan gemäß weiteren bevorzugten
Ausführungsformen, und
Figur 5 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems 200 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Das Kommunikationssystem 200 ist ein Time Sensitive Networking (TSN)-Kommunikationssystem 200, also ein Kommunikationssystem, das auf dem Ethernet-Standard basiert und wenigstens eine Komponente, insbesondere einen Switch („TSN-Switch“), aufweist, die dazu ausgebildet ist, gemäß dem IEEE Standard 802.1Qbv zu arbeiten.
Vorliegend weist das TSN-Kommunikationssystem 200 zwei TSN- Kommunikationseinrichtungen 210a, 210b auf, bei denen es sich z.B. jeweils einen TSN-Switch handelt, also um ein TSN-fähiges Netzwerkkopplungselement, das mehrere Netzwerksegmente und/oder Endgeräte oder dergleichen miteinander verbinden kann.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist vorliegend beispielhaft eine weitere
Kommunikationseinrichtung 100 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine industrielle Steuereinrichtung (z.B. vom Industrial Ethernet Typ) handeln kann, wie sie z.B. in industriellen Fertigungseinrichtungen ersetzbar sind. Die weitere Kommunikationseinrichtung 100 sendet erste Daten D1 , insbesondere in Form entsprechender Datenpakete dpi , an den ersten TSN-Switch 210a. Weiter aus Figur 1 ersichtlich sind noch weitere Kommunikationseinrichtungen 20, bei denen es sich z.B. um Endgeräte wie z.B. Aktoren und/oder Sensoren oder dergleichen (z.B. Industrial Ethernet Endgeräte) handelt. Der zweite TSN-Switch 210b sendet vorliegend Datenpakete dp2 an diese Endgeräte 20. Analog hierzu kann der erste TSN-Switch 210a auch von weiteren (nicht abgebildeten) Komponenten weitere Datenpakete dp3 empfangen und/oder der zweite TSN- Switch 210b weitere Datenpakete dp4 an weitere (ebenfalls nicht abgebildete) Komponenten senden. Zwischen den TSN-Switches 210a, 210b können ebenfalls Datenpakete dp5 ausgetauscht werden, die bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. zumindest teilweise die anderen genannten
Datenpakete dpi , dp2, dp3, dp4 enthalten bzw. diesen entsprechen bzw. daraus abgeleitet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können wenigstens manche der Datenpakete eine Priorität aufweisen, die eine Verarbeitung, insbesondere Weiterleitung, der Datenpakete, z.B. durch die TSN-Switches 210a, 210b, steuern kann, wobei z.B. Datenpakete mit höherer Priorität bevorzugt verarbeitet (insbesondere gesendet und/oder vermittelt usw.) werden als Datenpakete mit niedrigerer Priorität. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Priorität gemäß dem Standard IEEE 802.1Q verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das nachfolgend unter
Bezugnahme auf das Flussdiagramm gemäß Figur 3 beschriebene Verfahren für den Betrieb, insbesondere für eine Konfiguration, des TSN- Kommunikationssystem 200 vorgesehen. Das Verfahren gemäß Figur 3 kann beispielsweise durch die optionale Vorrichtung 400 aus Figur 1 ausgeführt werden, die bzw. deren Funktionalität bei weiteren bevorzugten
Ausführungsformen z.B. auch in die weitere Kommunikationseinrichtung 100 integriert sein kann. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln 300 (Fig. 3) von Betriebsparametern BP für wenigstens eine weitere
Kommunikationseinrichtung 20, 100 (Fig. 1), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem 200 erste Daten D1 zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen 20, 100, die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem 200 Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter BP mit wenigstens einer Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 assoziiert sind, Ermitteln 310 (Fig. 3) eines Zeitplans („TSN-Zeitplan“) ZP für die wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, Übermitteln 320 des Zeitplans ZP an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b. Dadurch ist eine effiziente Konfiguration der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b bzw. des gesamten TSN-Kommunikationssystems 200 ermöglicht, wodurch insbesondere den unterschiedlichen Anforderungen der
Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 bezüglich einer Datenübertragung über die Komponenten 200, 210a, 210b in den ggf. unterschiedlichen Betriebsphasen der jeweiligen Kommunikationseinrichtung(en) 20, 100 Rechnung getragen werden kann. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann optional in dem Schritt 320a ein Aktivieren des TSN-Zeitplans ZP in einer oder mehreren der genannten Komponenten 200, 210a, 210b erfolgen. Das Aktivieren 320a kann zur Folge haben, dass die betreffenden Komponenten fortan nach dem Zeitplan ZP arbeiten, mithin Übertragungsressourcen gemäß dem Zeitplan ZP für zukünftig zu verarbeitende Daten, insbesondere Datenpakete bzw. Datenströme, reservieren.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die
Betriebsparameter BP (Fig. 3) wenigstens einen Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit aufweisen. Dadurch können die wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit vorteilhaft bei der Bildung des Zeitplans ZP
berücksichtigt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung 20, 100 mehrere unterschiedliche Betriebsphasen aufweist, wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebsparameter BP zugeordnet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die unterschiedlichen Betriebsphasen wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen:
Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, bei der Ermittlung des TSN-Zeitplans ZP diese unterschiedlichen Betriebsphasen der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 und damit mit den unterschiedlichen Betriebsphasen ggf. einhergehende
unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Datenübertragung über das TSN- Kommunikationssystem 200 (z.B. Größe von Datenpaketen, Zykluszeit,
Echtzeiteigenschaften bzw. eine entsprechende Reservierung von
Übertragungsressourcen) zu berücksichtigen. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Zeitplan ZP zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von
Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b und/oder des TSN-Kommunikationssystems 200 zur Übertragung der ersten Daten D1 , und/oder b) eine priorisierte (jedoch nicht exklusive, z.B.
konkurrierende) Verwendung von Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b und/oder des TSN- Kommunikationssystems 200 zur Übertragung der ersten Daten D1 festlegt. Dadurch können die jeweilig benötigten Übertragungsressourcen der beteiligten Komponenten 200, 210a, 210b effizient definiert und verteilt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das
Verfahren weiter aufweist, vgl. Fig. 3: Übertragen 330 der ersten Daten D1 von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung 100 über das TSN- Kommunikationssystem 200, z.B. an das bzw. die Endgeräte 20. Auf diese Weise können die ersten Daten D1 effizient über das TSN- Kommunikationssystem 200 übertragen, insbesondere getunnelt, werden.
Beispielsweise können die ersten Daten D1 einem Industrial Ethernet
Datenstrom entsprechen, der von der Kommunikationseinrichtung 100 erzeugt wird und an das bzw. die z.B. als Industrial Ethernet Endgeräte ausgebildeten Endgeräte 20 über das TSN-Kommunikationssystem 200 übertragen wird. Die Vorsehung des TSN-Zeitplans ZP gemäß den Ausführungsformen ermöglicht ein besonders effizientes Tunneln solcher (Industrial Ethernet) Datenströme D1 durch das TSN-Kommunikationssystem 200.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die ersten Daten D1 wenigstens ein Datenpaket dpi (Fig. 1) aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung 100 (bzw. die Vorrichtung 400) das wenigstens eine Datenpaket dpi so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan ZP aufweist. Dadurch können die mittels des Zeitplans ZP für das betreffende Datenpaket dpi vorab reservierten
Übertragungsressourcen effizient für die Übertragung dieses Datenpakets genutzt werden. Figur 2A zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit ZZ von 1 ms und
Übertragungszeitdauern ZD von jeweils 90 Mikrosekunden (ps), wie sie
Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer ersten
Konfigurationsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind. Die Zykluszeit ZZ und die Übertragungszeitdauern ZD bilden dabei
Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese Betriebsparameter mit der ersten Konfigurationsphase assoziiert sind und ggf. in die Ermittlung des
Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
Figur 2B zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit ZZ‘ von 1 ms und
Übertragungszeitdauern ZD‘ von jeweils 423 ps, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer zweiten Konfigurationsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind, wobei die zweite Konfigurationsphase beispielsweise auf die erste Konfigurationsphase gemäß Fig. 2A folgt. Auch die Zykluszeit ZZ‘ und die Übertragungszeitdauern ZD‘ gemäß Fig. 2B bilden Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter
Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese
Betriebsparameter vorliegend mit der zweiten Konfigurationsphase assoziiert sind und ggf. in die Ermittlung des Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
Figur 2C zeigt schematisch beispielhaft eine Zykluszeit von 250ps und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht individuell bezeichnete
Übertragungszeitdauern von z.B. 80 ps, wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer Echtzeit-Betriebsphase der
Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind.
Figur 4 zeigt schematisch beispielhaft für eine erste Prioritätsstufe PS1
(beispielsweise entsprechend einer TSN-Priorität des Werts„7“ gemäß IEEE 802.1Qbv) eine Zykluszeit ZZ“ von 1 ms und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht individuell bezeichnete Übertragungszeitdauern ZD“ der ersten
Prioritätsstufe PS1 , wie sie Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise während einer Echtzeit-Betriebsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind, wobei die Echtzeit-Betriebsphase beispielsweise auf die zweite Konfigurationsphase gemäß Fig. 2B folgt. Figur 4 zeigt zusätzlich schematisch beispielhaft für eine zweite Prioritätsstufe PS2 (beispielsweise entsprechend einer TSN-Priorität der Werte von„0“ bis„6“ gemäß IEEE 802.1Q) aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht individuell bezeichnete
Übertragungszeitdauern ZD“‘ der zweiten Prioritätsstufe PS2, wie sie
Datenstrukturen entsprechen, die beispielsweise ebenfalls während der Echtzeit- Betriebsphase der Kommunikationseinrichtungen 20, 100 verwendbar sind. Auch die Zykluszeit ZZ“ und die Übertragungszeitdauern ZD“, ZD“‘ gemäß Fig. 4 bilden Betriebsparameter BP im Sinne der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Ausführungsformen, wobei diese Betriebsparameter vorliegend mit der Echtzeit-Betriebsphase assoziiert sind und ggf. in die
Ermittlung des Zeitplans ZP, vgl. Schritt 310, eingehen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung 400 (Fig. 1) zum Betreiben eines bzw. des TSN-Kommunikationssystems 200, das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist. Die Vorrichtung 400 ist vorteilhaft zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen (vgl. z.B. Fig. 3) und/oder wenigstens einzelner Schritte hiervon ausgebildet. Wie vorstehend bereits erwähnt kann die Funktionalität der Vorrichtung 400 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen z.B. auch in die weitere Kommunikationseinrichtung 100 (und/oder wenigstens eines der Endgeräte 20) integriert sein.
Figur 5 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 400‘ gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 400 aus Fig. 1 die Konfiguration 400‘ gemäß Fig. 5 aufweisen. Die Vorrichtung 400‘ weist wenigstens eine Recheneinrichtung 402 auf, wenigstens eine der Recheneinrichtung 402 zugeordnete Speichereinrichtung 404 zur zumindest zeitweisen Speicherung eines Computerprogramms PRG, wobei das Computerprogramm PRG insbesondere zur Steuerung eines Betriebs der Vorrichtung 400‘ und/oder Ausführung des Verfahrens gemäß den
Ausführungsformen ausgebildet ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Recheneinrichtung 402 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor (DSP), einen programmierbaren Logikbaustein (z.B. FPGA, field programmable gate array), einen ASIC
(anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis), eine Hardwareschaltung. Kombinationen hieraus sind bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen auch denkbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Speichereinrichtung 404 wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen flüchtigen Speicher 404a, insbesondere Arbeitsspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen Speicher 404b, insbesondere Flash-EEPROM. Bevorzugt ist das Computerprogramm PRG in dem nichtflüchtigen Speicher 404b abgelegt. Optional weist die Vorrichtung 400‘ eine Datenschnittstelle 406 zur Übertragung von Daten, insbesondere
Datenpaketen dpi , über das TSN-Kommunikationssystem 200 auf. Über diese Datenschnittstelle 406 können bei weiteren Ausführungsformen beispielsweise die TSN-Zeitpläne ZP an weitere Kommunikationseinrichtungen 210a, 210b übertragen werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein TSN- Kommunikationssystem 200 (Fig. 1), das wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung 210a, 210b, insbesondere einen TSN-Switch, aufweist, wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung 100, z.B. eine (Industrial Ethernet) Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, über das TSN- Kommunikationssystem 200 erste Daten D1 zu übertragen, und eine Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen zur Konfiguration eines bzw. des TSN- Kommunikationssystems 200.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen und/oder der Vorrichtung 400 gemäß den Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen Fertigungseinrichtung.
Durch eine Übertragung, insbesondere Tunnelung, der Datenpakte dpi , insbesondere der (Industrial) Ethernet Pakete, durch das TSN-Netz 200 gemäß den Ausführungsformen ist vorteilhaft eine Koexistenz von (Industrial) Ethernet Geräten 100, 20 mit TSN-Kommunikationssystemen 200 effizient zu realisieren. Das Verfahren gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft,
Datenstrukturen, insbesondere Industrial Ethernet Datenstrukturen, von verschiedenen, insbesondere allen, Konfigurationsphasen, bei der Erstellung des TSN-Zeitplans ZP zu berücksichtigen. Ferner ist vorteilhaft keine weitere
Umkonfiguration der TSN-Geräte 210a, 210b zwischen jedem Wechsel von Betriebsphasen bzw. Konfigurationsphasen der Komponenten 20, 100
erforderlich, und in einem Echtzeitbetrieb müssen bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen keine Übertragungsressourcen unnötig exklusiv reserviert werden, die z.B. nur zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Komponenten 20,
100 benötigt worden sind.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann in allen Bereichen genutzt werden, in denen z.B. deterministische, zeitgetriggerte Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, die zum einen im Betrieb unterschiedliche Zykluszeiten und/oder Datenstrukturen aufweisen können, und die auf der anderen Seite zu einem Betrieb mittels TSN-Kommunikationssystemen 200 migriert werden sollen. Solche Bereiche sind unter anderem die industrielle Fertigung, aber auch
Netzwerke innerhalb von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen ermöglicht eine effiziente Tunnelung von (Industrial) Ethernet-Datenpaketen dpi durch ein TSN-Netz, wobei vorteilhaft die jeweiligen Anforderungen der Industrial Ethernet Standards (z.B. Sercos III, EtherCAT, Profinet IRT) erfüllt werden können. Insbesondere können durch das Verfahren gemäß den Ausführungsformen die in der Regel hohen (Latenz-) Anforderungen von Industrial Ethernet Protokollen erfüllt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann z.B. in den TSN-Switches 210a, 210b statt einem„Store-and-Forward“-Verfahren ein„Cut-through-“ Verfahren verwendet werden, bei dem ein Ethernet-Paket bereits dann über einen anderen Port des Switches weitergeleitet wird, bevor es noch vollständig auf einem Empfangsport desselben Switches empfangen worden ist. Die
Verzögerung der Paketweiterleitung ist hier sehr kurz und im Gegensatz zu Store-and-Forward unabhängig von der Paketgröße. Diese schnelle
Weiterleitung, erfordert natürlich, dass der ausgehende Port frei ist und nicht gleichzeitig andere Pakete mit niedriger Priorität gesendet werden, was vorteilhaft unter Verwendung des erfindungsgemäßen Zeitplans ZP sichergestellt werden kann. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die weitere Kommunikationseinrichtung 100, bei der es sich z.B. um eine industrielle Steuerung 100 bzw. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs handelt, bereits vorab („offline“) programmiert. D.h., es ist vorab bekannt
a. mit welchen weiteren Geräten 20 (Sensoren, Aktuatoren, Antriebe, etc.) über das TSN-System 200 Daten ausgetauscht werden sollen (welche weitere Geräte 20 also z.B. Teil einer verteilten Anwendung sein sollen), und/oder
b. welche Zykluszeit für die jeweiligen Datenübertragungen vorgesehen sind, und/oder
c. wie viele Daten ausgetauscht werden sollen (Datenmenge), und/oder d. welche Einstellungen an die Geräte 20 übermittelt werden sollen.
Diese Aspekte bilden vorteilhaft ein a-priori Wissen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuerung 100 insbesondere unter Nutzung des vorstehend genannten a-priori Wissens die notwendigen Datenstrukturen des (Industrial) Ethernets, insbesondere in allen notwendigen Konfigurationsschritten, z.B. von einer Identifizierung (vgl. z.B. Fig. 2A) der Geräte 20 über deren Konfiguration (vgl. z.B. Fig. 2B) und den
Echtzeitbetrieb (vgl. z.B. Fig. 2C, 4), ermitteln, und/oder die jeweiligen
Zykluszeiten. Diese bilden, insbesondere zusammen, die beschriebenen Betriebsparameter BP (Fig. 3). Dabei kann bei weiteren Ausführungsformen die jeweilige Datenstruktur im Echtzeitbetrieb meist für jede Anwendung sehr individuell und hochoptimiert sein, während die Datenstrukturen in den vorangehenden Konfigurationsphasen meist durch ein Protokoll vorgegeben sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuerung 100, insbesondere auch während einer Kommunikation mit den (Industrial Ethernet) Geräten 20 über das TSN-Netz 200, die Zykluszeit und/oder die Datenstruktur ändern, ohne dies den TSN-Geräten 210a, 210b explizit mitteilen zu müssen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es während einer
Konfigurationsphase z.B. eines Industrial Ethernet Protokolls zu einer möglichen Überlappung mit weiterem Netzwerkverkehr kommen. Die höhere Priorität der Industrial Ethernet Pakete dpi kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen dabei bevorzugt berücksichtigt werden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist ein Zeitplan ZP des TSN-Switches 210a, 210b dabei so gewählt, dass jeweils vor Beginn eines Industrial Ethernet Zyklus, die Ports (Anschlüsse) des Switches 210a, 210b für Ethernet-Pakete mit anderen Prioritäten gesperrt werden. Damit ist gewährleistet, dass die ersten
Ethernetpakete eines jeden Industrial Ethernet Zyklus unverzögert durchgeleitet werden. Dies kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen besonders bei dem Protokoll„Sercos III“ von Bedeutung sein, da sich die Endgeräte 20, 100 mit diesem ersten Paket eines Zyklus auf die Zeit des Masters synchronisieren.
Danach, in einem Zeitabschnitt, in dem Pakete von mehreren Prioritäten gesendeten werden können, kann es bei weiteren Ausführungsformen
theoretisch und sehr selten Vorkommen, dass sich ein kurzes Paket einer anderen Priorität zwischen zwei getunnelte Industrial Ethernet Pakete schiebt und dadurch die nachfolgenden Industrial-Ethernet Pakete somit verzögern kann. Dies ist jedoch bei kleinen Verzögerungen und zumindest in der
Konfigurationsphase meist tolerierbar.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der TSN-Zeitplan ZP für eine Echtzeit-Betriebsphase bevorzugt derart gewählt, dass Kollisionen mit weiteren, insbesondere nicht-zeitkritischen, Datenpaketen ausgeschlossen sind. Latenz und Jitter bei der Tunnelung der Datenpakete dpi durch das TSN-Netz 200 sind hier minimal. Alle Kommunikationsressourcen, die nicht exklusiv für diese Industrial Ethernet Daten reserviert sind, z.B. in Abhängigkeit des TSN-Zeitplans ZP, stehen komplett für andere Dienste (und/oder Geräte) zur Verfügung, da sie vom Industrial Ethernet System im Echtzeitbetrieb nicht benötigt werden.
Das Industrial Ethernet System (z.B. umfassend die Geräte 20, 100) kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beliebig neugestartet werden, ohne die TSN-Geräte 210a, 210b zu benachrichtigen, solange für das Industrial Ethernet System notwendigen Datenstrukturen die gleichen sind wie vor der Festlegung des TSN-Zeitplans ZP.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann dann, wenn absehbar ist, dass für einen längeren Zeitraum keine Industrial Ethernet Daten (bzw.
Datenpakete dpi zwischen den Komponenten 100, 20) ausgetauscht werden müssen, weil z.B. die entsprechenden Komponenten 100, 20 abgeschaltet werden, dies den TSN-Geräten 210a, 210b mitgeteilt werden, z.B. durch die Vorrichtung 400, 400‘, damit die die TSN-Geräte 210a, 210b, ggf. unter Modifikation des TSN-Zeitplans ZP, die reservierten Zeitfenster freigeben können. Ein erneuter Start der Komponenten 20, 100 kann z.B. unter erneuter Ausführung des Ablaufs 300, 310, 320 nach Fig. 3 erfolgen.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft eine effiziente Tunnelung insbesondere von zeitkritischen Daten D1 durch TSN-Netze 200. Dadurch können Ethernet-fähige Geräte wie z.B. Industrial Ethernet Geräte 20, 100 auch in einer TSN-Umgebung (weiter)verwendet werden.
Zudem kann die Berechnung eines TSN-Zeitplans bei konventionellen Ansätzen sehr komplex ausfallen, sodass die Berechnung mehrerer solcher Zeitpläne zu hoher Auslastung der verfügbaren Ressourcen, einem hohen Energieverbrauch und einer langen Berechnungsdauer führen kann. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen reduziert vorteilhaft die Anzahl der zu berechnenden Zeitpläne. Insbesondere kann das Prinzip gemäß den Ausführungsformen dafür sorgen, dass die Anforderungen von Industrial Ethernet-Systemen in allen Phasen erfüllt werden und gleichzeitig koexistierende Dienste die übrige Bandbreite des TSN-Netzes 200 nutzen können. Auch wenn vorstehend die Reservierung der Ressourcen im Rahmen von IEEE 802.1Qbv beispielhaft auf die Zeitdomäne bezogen wird, ist das Prinzip gemäß den Ausführungsformen in vergleichbarer Weise auch auf andere Formen der Reservierung von
Ressourcen anwendbar (z.B. in der Frequenzdomäne).

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems (200), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b),
insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wobei das
Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln (300) von
Betriebsparametern (BP) für wenigstens eine weitere
Kommunikationseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN- Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen (20, 100), die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem (200) Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter (BP) mit wenigstens einer
Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung (20, 100) bzw. Kommunikationseinrichtungen (20, 100) assoziiert sind, Ermitteln (310) eines Zeitplans (ZP) für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), Übermitteln (320) des Zeitplans (ZP) an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Betriebsparameter (BP) wenigstens eine Datenstruktur und/oder eine Zykluszeit (ZZ, ZZ‘, ZZ“) aufweisen.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung (100) mehrere unterschiedliche Betriebsphasen aufweist, und wobei wenigstens zwei der mehreren unterschiedliche Betriebsphasen jeweils individuelle Betriebs parameter zugeordnet sind, wobei insbesondere die unterschiedlichen Betriebsphasen wenigstens eines der folgenden Elemente aufweisen: Identifizierungsphase, Konfigurationsphase, Echtzeit-Betriebsphase.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zeitplan (ZP) zumindest zeitweise a) eine exklusive Verwendung von Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN- Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) und/oder des TSN- Kommunikationssystems (200) zur Übertragung der ersten Daten (D1), und/oder b) eine priorisierte Verwendung von Übertragungsressourcen der wenigstens einen TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) und/oder des TSN-Kommunikationssystems (200) zur Übertragung der ersten Daten (D1) festlegt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend: Übertragen (330) der ersten Daten (D1) von der wenigstens einen weiteren Kommunikationseinrichtung (100) über das TSN- Kommunikationssystem (200).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die ersten Daten (D1) wenigstens ein Datenpaket (dpi) aufweisen, wobei die wenigstens eine weitere
Kommunikationseinrichtung (100) das wenigstens eine Datenpaket (dpi) so kennzeichnet, dass es einen durch die wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung (210a, 210b) auswertbaren Bezug zu dem Zeitplan (ZP) aufweist.
7. Vorrichtung (400; 400‘) zum Betreiben eines TSN-Kommunikationssystems (200), das wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wobei die
Vorrichtung (400; 400‘) zur Ausführung der folgenden Schritte ausgebildet ist: Ermitteln (300) von Betriebsparametern (BP) für wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN- Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, vorzugsweise für mehrere weitere Kommunikationseinrichtungen (20, 100), die dazu ausgebildet sind, über das TSN-Kommunikationssystem (200) Daten zu übertragen, wobei die Betriebsparameter (BP) mit wenigstens einer
Betriebsphase der jeweiligen Kommunikationseinrichtung (20, 100) bzw. Kommunikationseinrichtungen (20, 100) assoziiert sind, Ermitteln (310) eines Zeitplans (ZP) für die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), Übermitteln (320) des Zeitplans (ZP) an die wenigstens eine TSN-Kommunikationseinrichtung (210a, 210b).
8. Vorrichtung (400; 400‘) nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (400; 400‘) zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
9. TSN-Kommunikationssystem (200), das wenigstens eine TSN- Kommunikationseinrichtung (210a, 210b), insbesondere einen TSN-Switch (210a, 210b), aufweist, wenigstens eine weitere Kommunikationseinrichtung (20, 100), die dazu ausgebildet ist, über das TSN-Kommunikationssystem (200) erste Daten (D1) zu übertragen, und eine Vorrichtung (400; 400‘) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8.
10. Verwendung des Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder der Vorrichtung (400; 400‘) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8 zur Konfiguration eines bzw. des TSN- Kommunikationssystems (200).
11. Verwendung des Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder der Vorrichtung (400) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8 in einem Kraftfahrzeug und/oder in einer industriellen
Fertigungseinrichtung.
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