WO2021239371A1 - Verfahren zum betrieb eines kommunikationssystems zur übermittlung zeitkritischer daten, switch und kommunikationssystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines kommunikationssystems zur übermittlung zeitkritischer daten, switch und kommunikationssystem Download PDF

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WO2021239371A1
WO2021239371A1 PCT/EP2021/061123 EP2021061123W WO2021239371A1 WO 2021239371 A1 WO2021239371 A1 WO 2021239371A1 EP 2021061123 W EP2021061123 W EP 2021061123W WO 2021239371 A1 WO2021239371 A1 WO 2021239371A1
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communication device
switch
data
subnetwork
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Markus Neumann
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Siemens AG
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    • H04L12/00Data switching networks
    • H04L12/28Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
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    • Y02DCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00Reducing energy consumption in communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a communication system for transmitting time-critical data, in particular control data in an industrial automation system, as well as a switch and a communication system for carrying out such a method.
  • An industrial automation system usually comprises a large number of automation devices networked with one another via an industrial communication network and is used in the context of production or process automation to control or regulate systems, machines or devices
  • Real-time communication protocols such as PROFINET, PROFIBUS, Real-Time-Ethernet or Time-Sensitive Networking (TSN) are predominantly used in automation devices.
  • Ethernet-based communication networks For example, when network resources for the transmission of data streams or data frames with real-time requirements are used in competition for the transmission of data frames with large user data content without special service quality requirements. This can lead to data streams or data frames with real-time requirements not being transmitted in accordance with a requested or required quality of service.
  • Prioritized transmission of data frames is possible, for example, on the basis of virtual local networks or virtual local area networks (VLAN) in accordance with the IEEE 802.IQ standard by means of tags inserted into data frames.
  • VLAN virtual local area networks
  • the resources required for the transmission of audio and video data streams are reserved in communication devices such as switches. However, high-priority data frames are only forwarded after a successful reservation. Bandwidth monitoring ensures that there is sufficient reserved bandwidth with regard to the bandwidth actually used. A communication connection that uses more bandwidth than is reserved would otherwise lead to a disruption of an entire communication network, in the worst case to its standstill due to overloading.
  • Credit-based shapers have been defined as a measure for bandwidth monitoring for the secure transmission of audio and video data streams via Ethernet-based communication networks, in accordance with the IEEE 802.1 Qav standard. Credit-based shapers define a transmission pause after each transmitted data frame in order to ensure a bandwidth limitation in relation to a reserved bandwidth. Such compulsory pauses are, however, extremely problematic in industrial automation systems when a large number of data frames with little useful data content are transmitted for control data, which are more likely to be viewed as data bundles or bursts. In WO 2019/001718 A1 a method for data transmission is described that enables a combination of protected communication and low network configuration effort.
  • a method for transmitting time-critical data is known from the earlier European patent application with the application filing number 20170149.7, in which selected datagrams are assigned to data streams and are transmitted between first communication devices and second communication devices via at least the first and second communication devices comprehensive paths.
  • Reservation requests for the provision of resources for a transmission of the data streams are each transmitted to a domain control device.
  • the domain control devices each check whether the respective first and second communication device are included in the same domain.
  • Cross-domain reservation requests are each forwarded to a higher-level communication control device.
  • the higher-level communication control device determines domains affected by the reservation requests and transmits partial reservation requests limited to respective sections of the paths to the domain control devices of the domains determined.
  • EP 3035 606 A1 describes a method for data transmission in a communication network comprising at least 2 virtual local networks, in which data streams one each Data stream-individual destination device identifier is assigned.
  • a data stream is transmitted from a source communication device assigned to a first virtual local network to a destination communication device assigned to a second local network, an identifier assigned to the data stream within the first virtual local network is incorporated into a data stream converted within the second virtual local area network assigned identifier.
  • the present invention is based on the object of creating a method for operating a communication system for transmitting time-critical data that enables both efficient use of available system resources and flexible and quick adaptation to changed operational framework conditions, and a suitable implementation for implementation of the procedure.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a method for operating a communication system for the transmission of time-critical data between two sub-networks that form a logical unit via a third sub-network, the transparent transmission of data through the third sub-network with low latencies and less Preservation of the original prioritization enables, and appropriate means to be specified for the implementation of the procedure.
  • datagrams are sent from a first communication device in a first subnetwork and to a second communication device in a second subnetwork via a third subnetwork.
  • the first and third subnetworks are connected via a first switch, while the second and third subnetworks are connected via a second switch.
  • the first communication device inserts an identifier of a first virtual local network and a priority specification into the datagrams. Based on the identifier of the first virtual local network and the priority specification, the datagrams are forwarded from the first communication device to the first switch.
  • the first and the second subnetwork can be assigned to PROFINET cells, for example, while the third subnetwork is preferably a TSN-based transit network, the datagrams being PROFINET frames.
  • the first switch encapsulates the datagrams sent by the first communication device in data frames that are assigned to a data stream through the third subnetwork and inserts an identifier of a second virtual local network into the data frames.
  • resources are reserved along a selected path between the first switch and the second switch on the basis of the identifier of the second virtual local network.
  • the second switch extracts the datagrams, which are encapsulated in the data frames assigned to the data stream, from received data frames and forwards the extracted datagrams to the second communication device based on the identifier of the first virtual local network and the priority information. In this way, a transparent transmission of prioritized datagrams between the first and the second sub-network via the third sub-network is achieved. In particular, due to the reservation of resources for the data stream through the third subnetwork, low latencies in the transmission can be guaranteed.
  • the first and the second switch encapsulate or encapsulate the datagrams, for example by inserting them into a user data area of the data frames.
  • the useful data area includes the identifier of the first virtual local network and the priority information.
  • the data frames in which the datagrams are encapsulated are VXLAN frames or frames for Layer 2 tunneling of the data. This enables a particularly reliable and efficient implementation of the present invention.
  • the first or the second switch assigns or assigns the identifier of the second virtual local network ingress port-based to the data frames to be sent by the third subnetwork, which encapsulate the datagrams. With that one can be clear Defined handling of the datagrams when they are passed through the third subnet can be ensured.
  • the first or the second switch preferably specify or specify quality of service parameters in a reservation request for reserving the resources for the data stream along the selected path.
  • the communication device uses the quality of service parameters to check whether sufficient resources for data transmission are available in compliance with the specified quality of service parameters. If there are sufficient resources, the communication devices determine configuration information along the selected path or the communication control device determines configuration information for the data stream. Finally, the communication devices are set up along the selected path in accordance with the determined configuration information for the provision of resources for the data stream.
  • the resources to be provided by the communication devices along the selected path include, in particular, usable transmission time windows, bandwidth, guaranteed maximum latency, number of queues, queue cache or address cache in switches or bridges.
  • the third part network is preferably a time-sensitive network, in particular in accordance with IEEE802 .3-2018, IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 or IEEE 802.1CB-2017 . Forwarding of data frames within the third sub-network can be controlled, for example, by means of frame preemption, time-aware shaper, credit-based shaper, burst limiting shaper, peristaltic shaper or priority-based, in particular in accordance with IEEE 802.1Q-2018.
  • the data stream is set up bidirectionally in response to a reservation request.
  • the second communication device also inserts the identifier of the first virtual local network and the priority information in datagrams to be sent to the first communication device.
  • the datagrams to be sent to the first communication device are forwarded from the second communication device to the second switch on the basis of the identification of the first virtual local network and the priority specification.
  • the second switch encapsulates the datagrams sent by the second communication device in data frames that are assigned to the data stream through the third subnetwork and inserts the identifier of the second virtual local network into the data frames.
  • the first switch takes the datagrams, which are encapsulated in the data frames assigned to the data stream, from received data frames and forwards the taken datagrams to the first communication device based on the identifier of the first virtual local network and the priority information.
  • the switch according to the invention is intended to carry out a method in accordance with the preceding statements and comprises several ports for connection to communication devices or communication terminals carrying further datagrams.
  • the switch is designed and set up to send datagrams from a first communication device in a first subnetwork and to a second communication device in a second subnetwork via a third subnetwork.
  • An identifier of a first virtual local network and a priority specification are inserted into the datagrams sent by the first communication device.
  • the switch is designed and set up according to the invention to encapsulate the datagrams sent by the first communication device in data frames assigned to a data stream through the third subnetwork and to insert an identifier of a second virtual local network into the data frames.
  • the switch is designed and set up to extract the datagrams, which are encapsulated in the data frames assigned to the data stream, from received data frames and to forward the extracted datagrams to the second communication device based on the identifier of the first virtual local network and the priority information.
  • FIG. 1 shows a communication system comprising several communication devices for an industrial automation system
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a datagram sent from a first to a second communication device within the communication system according to FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a data frame in which the datagram according to FIG. 2 is encapsulated.
  • the communication system shown in FIG. 1 for an industrial automation system is divided into three subnetworks 101-103, which in turn each forward several bridges or switches 110, 120, 301, 302 as datagrams Communication devices and a plurality of communication or communication terminals 201-202, 211-213, 221-223 connected to the switches 110, 120.
  • datagrams 400 are sent from a first communication device 201 in a first subnet 101 and to a second communication device 202 in a second subnet 102 via a third subnet 103.
  • the first communication device 201 is a programmable logic controller, while the second communication device 202 is an operating and monitoring station.
  • the datagrams 400 are PROFINET frames, the first 101 and the second subnet
  • the third sub-network 103 represents a transnet for the PROFINET cells, which is preferably designed as a time-sensitive network, in particular in accordance with IEEE802.3-2018, IEEE 802.1Q- 2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 or IEEE 802.1CB-2017.
  • Forwarding of data frames (frames) within the third subnetwork 103 can, for example, by means of frame preemption according to IEEE 802.1Q-2018, time-aware shaper according to IEEE 802.1Q-2018, credit-based shaper according to IEEE 802.1Q-2018, burst limiting Shaper, Peristaltic Sha can be controlled by or Priority-Based Shaper.
  • the bridges or switches 110, 120, 301, 302 each include several ports and a backplane switch as a coupling element and are used in particular to connect memory-programmable controllers 201, operating and monitoring stations 202, I / O controllers or I / O Modules that also represent communication devices or communication terminals.
  • Programmable logic controllers 201 typically each include a communication module, a central unit and at least one input / output unit. Input / output units can in principle also be designed as decentralized peripheral modules which are arranged remotely from a programmable logic controller.
  • a programmable logic controller 201 can be connected to a switch or router or additionally to a field bus via the communication module.
  • the input / output unit is used to exchange control and measured variables between the programmable logic controller 201 and a machine or device 210 controlled by the programmable logic controller 201.
  • the central unit is provided in particular for determining suitable control variables from recorded measured variables.
  • the above components of the programmable controller 201 are connected to one another via a back wall bus system, for example.
  • I / O modules can also be provided to exchange control and measured variables with connected machines or devices.
  • I / O modules can be controlled in particular by means of an I / O controller per automation cell.
  • I / O modules can also be controlled by a remote programmable logic controller.
  • An operating and monitoring station 202 is used to visualize process data or measurement and control variables that are processed or recorded by programmable logic controllers, input / output units or sensors.
  • an operating and monitoring station 202 is used to display values of a control circuit and to change control parameters.
  • Operating and monitoring Stations 202 comprise at least one graphical user interface, an input device, a processor unit and a communication module.
  • high-priority control data are identified in the PROFINET cells that comprise the first 101 or second subnetwork 102 and are transmitted cyclically in the PROFINET cells within predetermined or reserved time windows.
  • all communication devices 110, 120, 201-202, 211-213, 221-223, 301-302 in the PROFINET cells are operated isochronously in the present exemplary embodiment.
  • the datagrams of the programmable logic controller 201 are forwarded to the first switch 301 within the first sub-network 101.
  • the datagrams 400 include an address area 401 and a user data area 404 and in the present exemplary embodiment basically correspond to Ethernet frames with regard to their structure.
  • Both the first 301 and the second switch 302 assign the ingress port-based identifier of a second VLAN to datagrams 400 received from the first 101 and second subnetwork 102, respectively, which are to be passed through the third subnetwork 103.
  • the operating and monitoring station 202 as a second communication device also inserts the identifier 402 of the first VLAN and the priority information 403 in datagrams 400 to be sent to the programmable logic controller 201. Accordingly, the datagrams 400 to be sent to the programmable controller 201 are forwarded from the operator control and monitoring station 202 to the second switch 302 based on the identifier 402 of the first VLAN and the priority information 403.
  • the second switch 302 encapsulates the datagrams 400 sent by the operating and monitoring station 202 in data frames 500 that are assigned to the TSN data stream through the third subnetwork 103, and inserts the identifier 502 of the second VLAN into the data frames 500 a.
  • the first 301 and the second switch 302 respectively encapsulate the data grams 400 by inserting them into a useful data area 504 of the data frames 500.
  • the useful data area 504 of the data frame 500 includes in particular the identifier 402 of the first VLAN and the priority information 403 for forwarding within the first or second subnetwork.
  • the data frames 500 also include an address area 501 and, with regard to their structure, correspond to Ethernet frames.
  • Data frames 500 in which the datagrams 400 are encapsulated are preferably VXLAN frames or frames for Layer 2 tunneling of the datagrams 400.
  • resources are reserved in the third sub-network 103 using the identifier 502 of the second VLAN along a selected path between the first switch 301 and the second switch 302.
  • the first 301 and the second switch 302 specify the reservation of the resources for the TSN data stream along the selected path of the quality of service parameter in a reservation request.
  • each communication device forwarding data frames along the selected path uses the quality-of-service parameters to check whether there are sufficient resources available in the respective communication device for data transmission in compliance with the specified quality-of-service parameters.
  • a central stream reservation concept such a check is carried out by a central network controller or a network management engine as the higher-level communication control device. If sufficient resources are available, the communication devices determine configuration information along the selected path in the decentralized stream reservation concept. According to this determined configuration information who the communication devices along the selected path for the provision of resources for the TSN data stream is set up. According to the central stream reservation concept, the configuration information is determined by the central network controller or the network management engine.
  • the resources to be provided by the communication devices along the selected path in third subnetwork 103 include, in particular, usable transmission time windows, bandwidth, guaranteed maximum latency, number of queues, queue cache or address cache in switches or bridges.
  • the TSN data stream is preferably transmitted through the third part network 103 is set up bidirectionally on a reservation request.
  • the second switch 302 extracts the datagrams 400, which are encapsulated in the data frames 500 assigned to the TSN data stream, from data frames received via the third subnetwork 103 and forwards the extracted datagrams based on the identifier
  • the first switch 301 takes the datagrams 400, which are encapsulated in the data frames 500 assigned to the TSN data stream, from data frames received via the third subnetwork 103 and forwards the removed datagrams based on the identifier
  • communication networks in particular PROFINET or GOOSE networks
  • communication networks can be segmented without loss of prioritization information, specifically time-synchronously.
  • a connection of PROFINET cells via a transit network is completely transparent for PROFINET data traffic.
  • mixed data transfer of PROFINET data traffic and non-PROFINET data traffic in the time-synchronous transit network is possible without the risk of overloading the transit network.
  • layer 2 communication via layer 3 communication networks is possible with the present concept, which creates a basis for greater flexibility in network operations.

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Abstract

Zur Übermittlung zeitkritischer Daten werden Datagramme (400) von einem ersten Kommunikationsgerät (201) in einem ersten Teilnetz (101) und zu einem zweiten Kommunikationsgerät (202) in einem zweiten Teilnetz (102) über ein drittes Teilnetz (103) gesendet. Dabei sind das erste und das dritte Teilnetz über einen ersten Switch (301) und das zweite und das dritte Teilnetz über einen zweiten Switch (302) verbunden. Die Datagramme werden anhand einer Kennung eines ersten virtuellen lokalen Netzes und einer Prioritätsangabe vom ersten Kommunikationsgerät zum ersten Switch weitergeleitet. Der erste Switch kapselt die durch das erste Kommunikationsgerät gesendeten Datagramme jeweils in Datenrahmen (500) ein, die einem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, und fügt in die Datenrahmen eine Kennung (502) eines zweiten virtuellen lokalen Netzes ein. Anhand der Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes werden im dritten Teilnetz Ressourcen entlang eines ausgewählten Pfades reserviert. Der zweite Switch entnimmt die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Datenrahmen eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen und leitet die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum zweiten Kommunikationsgerät weiter.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Übermittlung zeitkritischer Daten, Switch und KommunikationsSystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Übermittlung zeitkritischer Daten, insbesondere Steuerungsdaten in einem industriellen Automatisierungssystem, sowie einen Switch und ein Kommunika tionssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Ein industrielles Automatisierungssystem umfasst üblicher weise eine Vielzahl von über ein industrielles Kommunikati onsnetz miteinander vernetzten Automatisierungsgeräten und dient im Rahmen einer Fertigungs- oder Prozessautomatisierung zur Steuerung oder Regelung von Anlagen, Maschinen bzw. Gerä ten. Aufgrund zeitkritischer Rahmenbedingungen in industriel len Automatisierungssystemen werden zur Kommunikation zwi schen Automatisierungsgeräten überwiegend Echtzeit-Kommunika- tionsprotokolle, wie PROFINET, PROFIBUS, Real-Time-Ethernet oder Time-Sensitive Networking (TSN), verwendet.
Aufgrund einer Nutzung für häufig äußerst unterschiedliche Anwendungen können in Ethernet-basierten Kommunikationsnetzen beispielsweise Probleme entstehen, wenn Netzressourcen für eine Übermittlung von Datenströmen oder von Datenrahmen mit EchtZeitanforderungen konkurrierend für eine Übermittlung von Datenrahmen mit großem Nutzdateninhalt ohne spezielle Dienst güteanforderungen beansprucht werden. Dies kann dazu führen, dass Datenströme oder Datenrahmen mit EchtZeitanforderungen nicht entsprechend einer angeforderten bzw. benötigten Dienstgüte übermittelt werden. Eine priorisierte Übermittlung von Datenrahmen ist beispiels weise auf Grundlage von virtuellen lokalen Netzen bzw. Virtu al Local Area Networks (VLAN) entsprechend Standard IEEE 802.IQ grundsätzlich mittels entsprechender in Datenrahmen eingefügter Tags möglich. Zur synchronisierten und priori- sierten Übertragung von Audio- und Videodatenströmen (Audio/ Video Bridging) über Kommunikationsnetze ist eine Bandbrei tenreservierung für einzelne Kommunikationsverbindungen vor gesehen, denen eine höchste Priorität zugeordnet ist. Für ei ne Übertragung von Audio- und Videodatenströmen benötigte Ressourcen werden dabei in Kommunikationsgeräten wie Switches reserviert. Eine Weiterleitung hochpriorisierter Datenrahmen erfolgt jedoch erst nach einer erfolgreichen Reservierung. Im Rahmen einer Bandbreitenüberwachung wird sichergestellt, dass hinsichtlich tatsächlich genutzter Bandbreite ausreichend re servierte Bandbreite vorliegt. Eine Kommunikationsverbindung, die mehr Bandbreite nutzt als reserviert ist, würde ansonsten zu einer Störung eines gesamten Kommunikationsnetzes führen, im ungünstigsten Fall zu dessen Stillstand aufgrund Überlas tung.
Für die gesicherte Übertragung von Audio- und Videodatenströ men über Ethernet-basierte Kommunikationsnetze sind entspre chend Standard IEEE 802.1 Qav sind Credit-based Shaper (CBS) als Maß für eine Bandbreitenüberwachung definiert worden. Durch Credit-based Shaper wird nach jedem übertragenen Daten rahmen eine Übertragungspause definiert, um eine Bandbreiten begrenzung in Bezug auf eine reservierte Bandbreite sicherzu stellen. Derartige Zwangspausen sind jedoch in industriellen Automatisierungssystemen bei einer Übertragung von vielen Da tenrahmen mit geringem Nutzdateninhalt für Steuerungsdaten, die eher als Datenbündel bzw. Bursts anzusehen sind, äußerst problematisch . In WO 2019/001718 Al ist ein Verfahren zur Datenübermittlung beschrieben, das eine Kombination von geschützter Kommunika tion und geringem Netzwerk-Konfigurationsaufwand ermöglicht. Dabei werden bei einer Reservierung von Ressourcen zur Über mittlung von Datenströmen (Streams) von einem Sender zu einem Empfänger zumindest zwei zumindest abschnittsweise redundante Pfade reserviert. Durch Erweiterung eines Reservierungsproto kolls wird eine automatische Konfiguration von Duplikatefil tern an redundanten Pfadabschnitten zugeordneten Netzknoten während einer Ressourcenreservierung vorgenommen.
Aus der älteren europäischen Patentanmeldung mit dem Anmelde aktenzeichen 20170149.7 ist ein Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten bekannt, bei dem ausgewählte Datagramme Datenströmen zugeordnet und zwischen ersten Kommunikationsge räten und zweiten Kommunikationsgeräten über zumindest die ersten und zweiten Kommunikationsgeräte umfassende Pfade übermittelt werden. Reservierungsanfragen zur Bereitstellung von Ressourcen für eine Übertragung der Datenströme jeweils an eine Domänen-Steuerungseinrichtung übermittelt. Die Domä- nen-Steuerungseinrichtungen überprüfen bei Reservierungsan fragen jeweils, ob das jeweilige erste und zweite Kommunika tionsgerät von derselben Domäne umfasst sind. Domänen-über- greifende Reservierungsanfragen werden jeweils an eine über geordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung weitergeleitet. Die übergeordnete Kommunikationssteuerungseinrichtung ermit telt von den Reservierungsanfragen jeweils betroffene Domänen und übermittelt auf jeweilige Abschnitte der Pfade beschränk te Teil-Reservierungsanfragen an die Domänen-Steuerungsein- richtungen der ermittelten Domänen.
In EP 3035 606 Al ist ein Verfahren zur Datenübermittlung in einem zumindest 2 virtuelle lokale Netze umfassenden Kommuni kationsnetz beschrieben, bei dem Datenströmen jeweils eine Datenstrom-individuelle Ziel-Gerätekennung zugeordnet wird. Bei einer Übermittlung eines Datenstroms von einem Quell- Kommunikationsgerät, das einem ersten virtuellen lokalen Netz zugeordnet ist, an ein Ziel-Kommunikationsgerät, das einem zweiten lokalen Netz zugeordnet ist, wird ein dem Datenstrom innerhalb des ersten virtuellen lokalen Netzes zugeordneter Identifikator in einen dem Datenstrom innerhalb des zweiten virtuellen lokalen Netzes zugeordneten Identifikator umgewan delt.
Bei einer Datenübermittlung zwischen zwei Zellen eines in dustriellen Automatisierungssystems über ein Transitnetz, das die beiden Zellen miteinander verbindet, können bei einem Übergang übermittelter Datagramme von einer Start-Zelle in das Transitnetz wesentliche Priorisierungsinformationen und Informationen über Zuordnungen zu logischen Netzen verloren gehen. Übermittelte Datagramme können somit nach einem Über gang vom Transitnetz in eine Ziel-Zelle nicht mehr mit kor rekten Priorisierungsinformationen oder zutreffenden Zuord nungen zu logischen Netzen weitergeleitet werden. Letztlich kann dies einen Datenverlust zur Folge haben. Darüber hinaus ist zwischen Zellen eines industriellen Automatisierungssys tems üblicherweise zeitkritisch. Daher sollte das Transitnetz zumindest in Bezug auf zwischen zwei Zellen ausgetauschtem Datenverkehr deterministische Eigenschaften aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Über mittlung zeitkritischer Daten schaffen, das sowohl eine effi ziente Ausschöpfung zur Verfügung stehender Systemressourcen als auch eine flexible und schnelle Anpassung an veränderte betriebliche Rahmenbedingungen ermöglicht, und eine geeignete Implementierung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur Übermittlung zeitkritischer Daten zwischen zwei Teilnetzen, die eine logische Einheit bilden, über ein drittes Teilnetz zu schaffen, das transparente Übermittlung der Daten durch das dritte Teilnetz mit geringen Latenzen und unter Erhaltung ursprünglicher Priorisierungen ermöglicht, und geeignete Mit tel zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, durch einen Switch mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen und durch ein Kommunikationssystem mit den in Anspruch 13 angegebenen Merk malen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb ei nes Kommunikationssystems zur Übermittlung zeitkritischer Da ten werden Datagramme von einem ersten Kommunikationsgerät in einem ersten Teilnetz und zu einem zweiten Kommunikationsge rät in einem zweiten Teilnetz über ein drittes Teilnetz ge sendet. Dabei sind das erste und das dritte Teilnetz über ei nen ersten Switch verbunden, während das zweite und das drit te Teilnetz über einen zweiten Switch verbunden sind. Das erste Kommunikationsgerät fügt in die Datagramme eine Kennung eines ersten virtuellen lokalen Netzes sowie eine Prioritäts angabe ein. Anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe werden die Datagramme vom ersten Kommunikationsgerät zum ersten Switch weitergeleitet. Das erste und das zweite Teilnetz können beispielsweise PROFINET-Zellen zugeordnet sein, während das dritte Teilnetz vorzugsweise ein TSN-basiertes Transitnetz ist, wobei die Datagramme PROFINET Frames sind. Erfindungsgemäß kapselt der erste Switch die durch das erste Kommunikationsgerät gesendeten Datagramme jeweils in Daten rahmen, die einem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zuge ordnet sind, ein und fügt in die Datenrahmen eine Kennung ei nes zweiten virtuellen lokalen Netzes ein. Zur Übermittlung des Datenstroms im dritten Teilnetz werden anhand der Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes Ressourcen entlang ei nes ausgewählten Pfades zwischen dem ersten Switch und dem zweiten Switch reserviert. Der zweite Switch entnimmt die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Datenrah men eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen und leitet die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten vir tuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum zweiten Kommunikationsgerät weiter. Auf diese Weise wird eine trans parente Übermittlung priorisierter Datengramme zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz über das dritte Teilnetz er reicht. Insbesondere aufgrund der Reservierung von Ressourcen für den Datenstrom durch das dritte Teilnetz können geringe Latenzen bei der Übermittlung gewährleistet werden.
Der erste bzw. der zweite Switch kapseln bzw. kapselt die Datagramme beispielweise jeweils durch Einfügen in einen Nutzdatenbereich der Datenrahmen ein. Dabei umfasst der Nutz datenbereich die Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und die Prioritätsangabe. Entsprechend einer besonders bevor zugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Da tenrahmen, in welche die Datagramme jeweils eingekapselt wer den, VXLAN Frames oder Frames zur Layer 2 Tunnelung der Data gramme. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige und effi ziente Implementierung der vorliegenden Erfindung. Vorteil hafterweise ordnen bzw. ordnet der erste bzw. der zweite Switch durch das dritte Teilnetz zu sendenden Datenrahmen, die Datagramme einkapseln, die Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes Ingress Port-basiert zu. Damit kann eine klar definierte Behandlung der Datagramme bei ihrer Durchleitung durch das dritte Teilnetz sichergestellt werden.
Vorzugsweise spezifizieren bzw. spezifiziert der erste bzw. der zweite Switch in einer Reservierungsanfrage zur Reservie rung der Ressourcen für den Datenstrom entlang des ausgewähl ten Pfades Dienstgüteparameter. In diesem Fall überprüft je des entlang des ausgewählten Pfades Datenrahmen weiterleiten de Kommunikationsgerät oder eine Kommunikationssteuerungsein richtung anhand der Dienstgüteparameter bei einer Reservie rungsanfrage, ob im jeweiligen Kommunikationsgerät ausrei chende Ressourcen zur Datenübermittlung unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparameter verfügbar sind. Bei aus reichenden Ressourcen ermitteln die Kommunikationsgeräte ent lang des ausgewählten Pfades bzw. ermittelt die Kommunikati onssteuerungseinrichtung für den Datenstrom jeweils Konfigu rationsinformationen. Abschließend werden die Kommunikations geräte entlang des ausgewählten Pfades entsprechend den er mittelten Konfigurationsinformationen zur Ressourcen-Bereit- stellung für den Datenstrom eingerichtet.
Die durch die Kommunikationsgeräte entlang des ausgewählten Pfades bereitzustellenden Ressourcen umfassen insbesondere nutzbare Übertragungszeitfenster, Bandbreite, zugesicherte maximale Latenz, Queue-Anzahl, Queue-Cache bzw. Adress-Cache in Switches oder Bridges. Vorzugsweise ist das dritte Teil netz ein Time-sensitive Network, insbesondere entsprechend IEEE802 .3-2018, IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 bzw. IEEE 802.1CB-2017. Dabei kann eine Weiterleitung von Datenrahmen innerhalb des dritten Teilnetzes beispielsweise mittels Frame Preemption, Time- Aware Shaper, Credit-based Shaper, Burst Limiting Shaper, Pe ristaltic Shaper bzw. Priority-based gesteuert werden, insbe sondere gemäß IEEE 802.1Q-2018. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Datenstrom auf eine Reservierungsanfrage bidirektional eingerichtet .
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung fügt auch das zweite Kommunikationsge rät in an das erste Kommunikationsgerät zu sendende Datagram me die Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes sowie die Prioritätsangabe ein. In diesem Fall werden die an das erste Kommunikationsgerät zu sendenden Datagramme anhand der Ken nung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritäts angabe vom zweiten Kommunikationsgerät zum zweiten Switch weitergeleitet. Außerdem kapselt der zweite Switch die durch das zweite Kommunikationsgerät gesendeten Datagramme jeweils in Datenrahmen, die dem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, ein und fügt in die Datenrahmen die Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes ein. Darüber hinaus entnimmt der erste Switch die Datagramme, die in die dem Da tenstrom zugeordneten Datenrahmen eingekapselt sind, aus emp fangenen Datenrahmen und leitet die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum ersten Kommunikationsgerät weiter.
Der erfindungsgemäße Switch ist zur Durchführung eines Ver fahrens entsprechend vorangehenden Ausführungen vorgesehen und umfasst mehrere Ports zur Verbindung mit Datagramme wei terleitenden Kommunikationsgeräten bzw. Kommunikationsendge räten. Der Switch ist dafür ausgestaltet und eingerichtet, Datagramme von einem ersten Kommunikationsgerät in einem ers ten Teilnetz und zu einem zweiten Kommunikationsgerät in ei nem zweiten Teilnetz über ein drittes Teilnetz zu senden. Dabei ist in durch das erste Kommunikationsgerät gesendete Datagramme eine Kennung eines ersten virtuellen lokalen Net zes sowie eine Prioritätsangabe eingefügt. Darüber hinaus ist der Switch erfindungsgemäß dafür ausge staltet und eingerichtet, die durch das erste Kommunikations gerät gesendeten Datagramme jeweils in Datenrahmen, die einem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, einzu kapseln und in die Datenrahmen eine Kennung eines zweiten virtuellen lokalen Netzes einzufügen. Außerdem ist der Switch dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Datenrahmen eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen zu entnehmen und die ent nommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum zweiten Kommuni kationsgerät weiterzuleiten.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausfüh rungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 ein mehrere Kommunikationsgeräte umfassendes Kommu nikationssystem für ein industrielles Automatisie rungssystem,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines innerhalb des Kommunikationssystems gemäß Figur 1 von einem ers ten an ein zweites Kommunikationsgerät gesendeten Datagramms,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Datenrahmens, in den das Datagramm gemäß Figur 2 eingekapselt wird.
Das in Figur 1 dargestellte Kommunikationssystem für ein in dustrielles Automatisierungssystem ist in drei Teilnetze 101- 103 gegliedert, die wiederum jeweils mehrere Bridges bzw. Switches 110, 120, 301, 302 als Datagramme weiterleitende Kommunikationsgeräte sowie mehrere an die Switches 110, 120 angeschlossene Kommunikations- bzw. Kommunikationsendgeräte 201-202, 211-213, 221-223 umfassen. Im Kommunikationssystem werden insbesondere Datagramme 400 von einem ersten Kommuni kationsgerät 201 in einem ersten Teilnetz 101 und zu einem zweiten Kommunikationsgerät 202 in einem zweiten Teilnetz 102 über ein drittes Teilnetz 103 gesendet. Dabei sind das erste
101 und das dritte Teilnetz 103 über einen ersten Switch 301 verbunden, während zweite 102 und das dritte Teilnetz 103 über einen zweiten Switch 302 verbunden sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das erste Kommunika tionsgerät 201 eine speicherprogrammierbare Steuerung, wäh rend das zweite Kommunikationsgerät 202 eine Bedien- und Be obachtungsstation ist. Darüber hinaus sind die Datagramme 400 PROFINET Frames, wobei das erste 101 und das zweite Teilnetz
102 jeweils einer PROFINET-Zelle zugeordnet sind. Das dritte Teilnetz 103 stellt für die PROFINET-Zellen ein Transnetz dar, das vorzugsweise als Time-Sensitive Network ausgestaltet ist, insbesondere entsprechend IEEE802.3-2018, IEEE 802.1Q- 2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 bzw. IEEE 802.1CB-2017. Eine Weiterleitung von Datenrahmen (Frames) innerhalb des dritten Teilnetzes 103 kann beispiels weise mittels Frame Preemption gemäß IEEE 802.1Q-2018, Time- Aware Shaper gemäß IEEE 802.1Q-2018, Credit-Based Shaper ge mäß IEEE 802.1Q-2018, Burst Limiting Shaper, Peristaltic Sha per bzw. Priority-Based Shaper gesteuert werden.
Die Bridges bzw. Switches 110, 120, 301, 302 umfassen jeweils mehrere Ports sowie einen Backplane-Switch als Koppelelement und dienen insbesondere zum Anschluss von speicherprogram mierbaren Steuerungen 201, Bedien- und Beobachtungsstationen 202, I/O-Controllern oder I/O-Modulen, die ebenfalls Kommuni kationsgeräte bzw. Kommunikationsendgeräte darstellen. Speicherprogrammierbare Steuerungen 201 umfassen typischer weise jeweils ein Kommunikationsmodul, eine Zentraleinheit sowie zumindest eine Eingabe/Ausgabe-Einheit. Eingabe/Aus gabe-Einheiten können grundsätzlich auch als dezentrale Peri- pheriemodule ausgestaltet sein, die entfernt von einer spei cherprogrammierbaren Steuerung angeordnet sind. Über das Kom munikationsmodul kann eine speicherprogrammierbare Steuerung 201 mit einem Switch oder Router oder zusätzlich mit einem Feldbus verbunden werden. Die Eingabe/Ausgabe-Einheit dient einem Austausch von Steuerungs- und Messgrößen zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung 201 und einer durch die speicherprogrammierbare Steuerung 201 gesteuerten Maschine oder Vorrichtung 210. Die Zentraleinheit ist insbesondere für eine Ermittlung geeigneter Steuerungsgrößen aus erfassten Messgrößen vorgesehen. Obige Komponenten der speicherprogram mierbaren Steuerung 201 sind beispielsweise über ein Rück wandbus-System miteinander verbunden.
Zum Austausch von Steuerungs- und Messgrößen mit angeschlos senen Maschinen oder Vorrichtungen können grundsätzlich auch I/O-Module vorgesehen sein. Eine Steuerung von I/O-Modulen kann insbesondere mittels eines I/O-Controllers pro Automati sierungszelle erfolgen. Alternativ hierzu können I/O-Module auch durch eine entfernte speicherprogrammierbare Steuerung angesteuert werden.
Eine Bedien- und Beobachtungsstation 202 dient zur Visuali sierung von Prozessdaten bzw. Mess- und Steuerungsgrößen, die durch speicherprogrammierbare Steuerungen, Eingabe/Ausgabe- Einheiten oder Sensoren verarbeitet bzw. erfasst werden. Ins besondere wird eine Bedien- und Beobachtungsstation 202 zur Anzeige von Werten eines Regelungskreises und zur Veränderung von Regelungsparametern verwendet. Bedien- und Beobachtungs- Stationen 202 umfassen zumindest eine graphische Benutzer schnittstelle, ein Eingabegerät, eine Prozessoreinheit und ein Kommunikationsmodul.
Die speicherprogrammierbare Steuerung 201 fügt als erstes Kommunikationsgerät in die Datagramme 400, die in Figur 2 schematisch dargestellt sind, eine Kennung 402 eines ersten VLAN, beispielsweise VID=0, sowie eine Prioritätsangabe 403, beispielsweise PCP=6, ein. Auf diese Weise werden in den PROFINET-Zellen, die das erste 101 bzw. zweite Teilnetz 102 umfassen, hochpriorisierte Steuerungsdaten gekennzeichnet, die in den PROFINET-Zellen zyklisch innerhalb vorgegebener bzw. reservierter Zeitfenster übermittelt werden. Hierzu wer den im vorliegenden Ausführungsbeispiel sämtliche Kommunika tionsgeräte 110, 120, 201-202, 211-213, 221-223, 301-302 in den PROFINET-Zellen taktsynchron betrieben. Anhand der Ken nung 402 des ersten VLAN und der Prioritätsangabe 403 werden die Datagramme der speicherprogrammierbare Steuerung 201 in nerhalb des ersten Teilnetzes 101 um ersten Switch 301 wei tergeleitet. Entsprechend Figur 2 umfassen die Datagramme 400 einen Adressbereich 401 und einen Nutzdatenbereich 404 und entsprechen im vorliegenden Ausführungsbeispiel hinsichtlich ihrer Struktur grundsätzlich Ethernet-Frames.
Sowohl der erste 301 als auch der zweite Switch 302 ordnen aus dem ersten 101 bzw. zweiten Teilnetz 102 empfangenen Datagrammen 400, die durch das dritte Teilnetz 103 durchzu leiten sind, Ingress Port-basiert die Kennung eines zweiten VLAN zu. Um einen Verlust bzw. ein Überschreiben der in die Datagramme 400 eingefügten Kennung 402 des ersten VLAN und der Prioritätsangabe 403 beim Durchleiten durch das dritte Teilnetz 103 zu vermeiden, kapselt der erste Switch 301 die durch die speicherprogrammierbare Steuerung 201 gesendeten Datagramme 400 jeweils in Datenrahmen 500, die einem TSN- Datenstrom durch das dritte Teilnetz 103 zugeordnet und in Figur 3 schematisch dargestellt sind, und fügt in die Daten rahmen 500 die Kennung 502 eines zweiten VLAN, beispielsweise VID'=1, sowie eine Prioritätsangabe 503, beispielsweise PCP'=6, für eine Durchleitung durch das dritte Teilnetz 103 ein.
In analoger Weise fügt auch die Bedien- und Beobachtungssta tion 202 als zweites Kommunikationsgerät in an die speicher programmierbare Steuerung 201 zu sendende Datagramme 400 die Kennung 402 des ersten VLAN sowie die Prioritätsangabe 403 ein. Dementsprechend werden die an die speicherprogrammierba re Steuerung 201 zu sendenden Datagramme 400 anhand der Ken nung 402 des ersten VLAN und der Prioritätsangabe 403 von der die Bedien- und Beobachtungsstation 202 zum zweiten Switch 302 weitergeleitet. Darüber hinaus kapselt der zweite Switch 302 die durch die Bedien- und Beobachtungsstation 202 gesen deten Datagramme 400 jeweils in Datenrahmen 500 ein, die dem TSN-Datenstrom durch das dritte Teilnetz 103 zugeordnet sind, und fügt in die Datenrahmen 500 die Kennung 502 des zweiten VLAN ein.
Der erste 301 bzw. der zweite Switch 302 kapseln die Data gramme 400 jeweils durch Einfügen in einen Nutzdatenbereich 504 der Datenrahmen 500 ein. Dabei umfasst der Nutzdatenbe reich 504 der Datenrahmen 500 insbesondere die Kennung 402 des ersten VLAN und die Prioritätsangabe 403 für eine Weiter leitung innerhalb des ersten bzw. zweiten Teilnetzes. Ent sprechend Figur 3 umfassen die Datenrahmen 500 außerdem einen Adressbereich 501 und entsprechen hinsichtlich ihrer Struktur Ethernet-Frames. Vorzugsweise sind Datenrahmen 500, in welche die Datagramme 400 jeweils eingekapselt werden, VXLAN Frames oder Frames zur Layer 2 Tunnelung der Datagramme 400. Zur Übermittlung des TSN-Datenstroms werden im dritten Teil netz 103 anhand der Kennung 502 des zweiten VLAN Ressourcen entlang eines ausgewählten Pfades zwischen dem ersten Switch 301 und dem zweiten Switch 302 reserviert. Der erste 301 bzw. der zweite Switch 302 spezifizieren zur Reservierung der Res sourcen für den TSN-Datenstrom entlang des ausgewählten Pfa des Dienstgüteparameter in einer Reservierungsanfrage.
Entsprechend einem dezentralen Stream-Reservierungskonzept überprüft jedes entlang des ausgewählten Pfades Datenrahmen weiterleitende Kommunikationsgerät bei einer Reservierungsan frage anhand der Dienstgüteparameter, ob im jeweiligen Kommu nikationsgerät ausreichende Ressourcen zur Datenübermittlung unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparameter ver fügbar sind. Bei einem zentralen Stream-Reservierungskonzept erfolgt eine solche Überprüfung durch einen Central Network Controller oder eine Network Management Engine als übergeord nete Kommunikationssteuerungseinrichtung. Stehen ausreichende Ressourcen zur Verfügung, ermitteln die Kommunikationsgeräte entlang des ausgewählten Pfades beim dezentralen Stream-Re servierungskonzept jeweils Konfigurationsinformationen. Ent sprechend diesen ermittelten Konfigurationsinformationen wer den die Kommunikationsgeräte entlang des ausgewählten Pfades zur Ressourcen-Bereitstellung für den TSN-Datenstrom einge richtet. Entsprechend dem zentralen Stream-Reservierungskon zept werden die Konfigurationsinformationen den Central Net work Controller oder die Network Management Engine ermittelt.
Die durch die Kommunikationsgeräte entlang des ausgewählten Pfades im dritten Teilnetz 103 bereitzustellenden Ressourcen umfassen insbesondere nutzbare Übertragungszeitfenster, Band breite, zugesicherte maximale Latenz, Queue-Anzahl, Queue- Cache bzw. Adress-Cache in Switches oder Bridges umfassen. Vorzugsweise wird der TSN-Datenstrom durch das dritte Teil- netz 103 auf eine Reservierungsanfrage bidirektional einge richtet .
Der zweite Switch 302 entnimmt die Datagramme 400, die in die dem TSN-Datenstrom zugeordneten Datenrahmen 500 eingekapselt sind, aus über das dritte Teilnetz 103 empfangenen Datenrah men und leitet die entnommenen Datagramme anhand der Kennung
402 des ersten VLAN und der Prioritätsangabe 403 zur Bedien- und Beobachtungsstation 202 weiter. In entsprechender Weise entnimmt der erste Switch 301 die Datagramme 400, die in die dem TSN-Datenstrom zugeordneten Datenrahmen 500 eingekapselt sind, aus über das dritte Teilnetz 103 empfangenen Datenrah men und leitet die entnommenen Datagramme anhand der Kennung
402 des ersten VLAN und der Prioritätsangabe 403 zur spei cherprogrammierbaren Steuerung 201 weiter.
Mit dem vorliegende Ausführungsbeispiel ist eine Segmentie rung von Kommunikationsnetzen, insbesondere von PROFINET- bzw. GOOSE-Netzen, ohne Verlust von Priorisierungsinformatio- nen möglich, und zwar zeitsynchron. Eine Verbindung von PROFINET-Zellen über ein Transitnetz ist vollkommen transpa rent für PROFINET-Datenverkehr. Insbesondere ist eine ge mischte Datenübermittlung von PROFINET-Datenverkehr und Nicht-PROFINET-Datenverkehr im zeitsynchronen Transitnetz oh ne Gefahr einer Überlast im Transitnetz möglich. Grundsätz lich ist mit vorliegendem Konzept eine Layer 2 Kommunikation über Layer 3 Kommunikationsnetze möglich, wodurch eine Grund lage für eine weitergehende Flexibilisierung eines Netzbe triebs geschaffen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Kommunikationssystems zur
Übermittlung zeitkritischer Daten, bei dem
- Datagramme (400) von einem ersten Kommunikationsgerät (201) in einem ersten Teilnetz (101) und zu einem zweiten Kommu nikationsgerät (202) in einem zweiten Teilnetz (102) über ein drittes Teilnetz (103) gesendet werden, wobei das erste und das dritte Teilnetz über einen ersten Switch (301) und das zweite und das dritte Teilnetz über einen zweiten Switch (302) verbunden sind,
- das erste Kommunikationsgerät in die Datagramme eine Ken nung (402) eines ersten virtuellen lokalen Netzes sowie ei ne Prioritätsangabe (403) einfügt,
- die Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lo kalen Netzes und der Prioritätsangabe vom ersten Kommunika tionsgerät zum ersten Switch weitergeleitet werden,
- der erste Switch die durch das erste Kommunikationsgerät gesendeten Datagramme jeweils in Datenrahmen (500), die ei nem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, einkapselt und in die Datenrahmen eine Kennung (502) eines zweiten virtuellen lokalen Netzes einfügt,
- zur Übermittlung des Datenstroms im dritten Teilnetz anhand der Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes Ressour cen entlang eines ausgewählten Pfades zwischen dem ersten Switch und dem zweiten Switch reserviert werden,
- der zweite Switch die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Datenrahmen eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen entnimmt und die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum zweiten Kommunikationsgerät weiterlei tet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und/oder der zweite Switch zur Reservierung der Ressourcen für den Datenstrom entlang des ausgewählten Pfades Dienstgüteparameter in einer Reservierungsanfrage spe zifizieren/spezifiziert, bei dem jedes entlang des ausgewähl ten Pfades Datenrahmen weiterleitende Kommunikationsgerät oder eine Kommunikationssteuerungseinrichtung anhand der Dienstgüteparameter bei einer Reservierungsanfrage überprüft, ob im jeweiligen Kommunikationsgerät ausreichende Ressourcen zur Datenübermittlung unter Einhaltung der spezifizierten Dienstgüteparameter verfügbar sind, bei dem die Kommunikati onsgeräte entlang des ausgewählten Pfades oder die Kommunika tionssteuerungseinrichtung für den Datenstrom bei ausreichen den Ressourcen jeweils Konfigurationsinformationen ermit teln/ermittelt und bei dem die Kommunikationsgeräte entlang des ausgewählten Pfades entsprechend den ermittelten Konfigu rationsinformationen zur Ressourcen-Bereitstellung für den Datenstrom eingerichtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die durch die Kommunikationsgeräte entlang des ausge wählten Pfades bereitzustellenden Ressourcen nutzbare Über tragungszeitfenster, Bandbreite, zugesicherte maximale La tenz, Queue-Anzahl, Queue-Cache und/oder Adress-Cache in Switches oder Bridges umfassen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das dritte Teilnetz ein Time-sensitive Network, ins besondere entsprechend IEEE802.3-2018, IEEE 802.1Q-2018, IEEE 802.1AB-2016, IEEE 802.1AS-2011, IEEE 802.1BA-2011 und/oder IEEE 802.1CB-2017, ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Weiterleitung von Datenrahmen innerhalb des dritten Teilnetzes mittels Frame Preemption, Time-Aware Sha per, Credit-based Shaper, Burst Limiting Shaper, Peristaltic Shaper und/oder Priority-based gesteuert wird, insbesondere gemäß IEEE 802.1Q-2018.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Datenstrom auf eine Reservierungsanfrage bidirek tional eingerichtet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das zweite Kommunikationsgerät in an das erste Kommu nikationsgerät zu sendende Datagramme die Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes sowie die Prioritätsangabe einfügt, bei dem die an das erste Kommunikationsgerät zu sendenden Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe vom zweiten Kommunikationsge rät zum zweiten Switch weitergeleitet werden, bei dem der zweite Switch die durch das zweite Kommunikationsgerät gesen deten Datagramme jeweils in Datenrahmen, die dem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, einkapselt und in die Datenrahmen die Kennung des zweiten virtuellen lokalen Netzes einfügt und bei dem der erste Switch die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Datenrahmen eingekap selt sind, aus empfangenen Datenrahmen entnimmt und die ent nommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsangabe zum ersten Kommunika tionsgerät weiterleitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste und/oder der zweite Switch die Datagramme jeweils durch Einfügen in einen Nutzdatenbereich der Daten rahmen einkapseln/einkapselt, wobei der Nutzdatenbereich die Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und die Priori tätsangabe umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Datenrahmen, in welche die Datagramme jeweils eingekapselt werden, VXLAN Frames oder Frames zur Layer 2 Tunnelung der Datagramme sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das erste und das zweite Teilnetz PROFINET-Zellen zu geordnet sind, bei dem das dritte Teilnetz ein TSN-basiertes Transitnetz ist und bei dem die Datagramme PROFINET Frames sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der erste und/oder der zweite Switch durch das dritte Teilnetz zu sendenden Datenrahmen, die Datagramme einkapseln, Ingress Port-basiert die Kennung des zweiten virtuellen loka len Netzes zuordnen/zuordnet.
12. Switch zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit
- mehreren Ports zur Verbindung mit Datagramme weiterleiten den Kommunikationsgeräten und/oder Kommunikationsendgerä ten,
- wobei der Switch (301, 302) dafür ausgestaltet und einge richtet ist, Datagramme (400) von einem ersten Kommunikati onsgerät (201) in einem ersten Teilnetz (101) und zu einem zweiten Kommunikationsgerät (202) in einem zweiten Teilnetz (102) über ein drittes Teilnetz (103) zu senden, wobei in durch das erste Kommunikationsgerät gesendete Datagramme eine Kennung (402) eines ersten virtuellen lokalen Netzes sowie eine Prioritätsangabe (403) eingefügt ist, - wobei der Switch dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, die durch das erste Kommunikationsgerät gesendeten Data gramme jeweils in Datenrahmen (500), die einem Datenstrom durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, einzukapseln und in die Datenrahmen eine Kennung (502) eines zweiten virtu ellen lokalen Netzes einzufügen,
- wobei der Switch dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Da tenrahmen eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen zu entnehmen und die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsan gabe zum zweiten Kommunikationsgerät weiterzuleiten.
13. Kommunikationssystem zur Übermittlung zeitkritischer Da ten mit
- einem ersten Teilnetz (101), einem zweiten Teilnetz (102) und einem dritten Teilnetz (103), wobei das erste und das dritte Teilnetz über einen ersten Switch (301) und das zweite und das dritte Teilnetz über einen zweiten Switch (302) verbunden sind,
- einem ersten Kommunikationsgerät (201) im ersten Teilnetz und einem zweiten Kommunikationsgerät (202) im zweiten Teilnetz (102), wobei das erste Kommunikationsgerät (201) dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, Datagramme (400) zum zweiten Kommunikationsgerät (202) über das dritte Teil netz (103) zu senden und in die Datagramme eine Kennung (402) eines ersten virtuellen lokalen Netzes sowie eine Prioritätsangabe (403) einzufügen, anhand der eine Weiter leitung der Datagramme vom ersten Kommunikationsgerät zum ersten Switch erfolgt,
- wobei der erste Switch dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, die durch das erste Kommunikationsgerät gesendeten Datagramme jeweils in Datenrahmen (500), die einem Daten- ström durch das dritte Teilnetz zugeordnet sind, einzukap seln und in die Datenrahmen eine Kennung (502) eines zwei ten virtuellen lokalen Netzes einzufügen, anhand der eine Reservierung von Ressourcen entlang eines ausgewählten Pfa- des zwischen dem ersten Switch und dem zweiten Switch zur
Übermittlung des Datenstroms im dritten Teilnetz erfolgt,
- der zweite Switch dafür ausgestaltet und eingerichtet ist, die Datagramme, die in die dem Datenstrom zugeordneten Da tenrahmen eingekapselt sind, aus empfangenen Datenrahmen zu entnehmen und die entnommenen Datagramme anhand der Kennung des ersten virtuellen lokalen Netzes und der Prioritätsan gabe zum zweiten Kommunikationsgerät weiterzuleiten.
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