[发明专利]在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置

说明书

所提出的方法和设备描述了用于工业控制和监视应用的实时网络规划，其中特别是基于根据IEEE 802.1 TSN任务组的新机制，将标准以太网交换元件用于通信网络。该工作规划将时钟数据传输与流预留概念结合在一起并因此在在运行时提供具有确保的最大延迟和访问控制的决定性。

技术领域

本发明涉及数据网络中的数据传输领域，具体地，涉及在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置。

背景技术

工业应用，例如工业自动化中的分布式IO系统，取决于决定性数据传输的可用性和可靠性。这意味着待传输的数据应尽可能实时、可靠并且低延迟地送达至接收者。在此，这些网络中的数据传输的特征尤其在于，可以按规则的间隔以可预先规划的方式来传输较小的、可预测的数据量，例如将传感器的测量值或控制命令传输到工业设备中的执行器。数据量通常结合成突发(Burst)、或也称为流，即多个数据帧的集合。

过去，专门为此目的开发并用于工业环境的硬件已被用于构建工业网络，优选以BUS拓扑结构、也就是所有参与者都通过公共消息路径连接的拓扑结构来构建。在图1中示例性地示出了这样的总线系统，其中，通过包含网元B0...B3的传输链路NB将不同的可以相互通信的参与者11、12、13连接。

但是，并不仅仅使用了BUS系统，一个可选的拓扑例如是在图2所示的环形NR，在此，网元B0...B3以环形结构互连，其中在连接的参与者11、12、13之间传输数据包时，允许在两个传输方向进行。目前，用于数据传输的几乎所有现代网络都使用了标准化的以太网技术。因此，工业自动化系统的制造商开发了基于以太网的解决方案，利用专用的硬件扩展来满足应用的要求，并保证网络的所期望的实时表现。

这些如此设计的系统之一便是PROFINET，它是过程现场网络的缩写。Profinet使用TCP/IP和IT标准，具有实时以太网功能，并且可以集成现场总线系统。PROFINET本身定义了两个实时协议：RT(实时)和IRT(等时实时)，用于为具有不同实时要求的Profinet 10应用程序传输时间关键数据。

Profinet RT在标准以太网硬件上运行，并以高达10ms的周期时间处理Profinet10应用程序。在数据平面层，它使用标准的以太网交换技术的优先级来传输具有高于不需要实时传输的普通数据的优先级的实时数据。Profinet-RT的优点在于，该运行不需要网元的时间同步，因此需要少量工程成本。

但是，Profinet RT的单独应用仅提供了低的实时性能，因为即使是高优先级数据包的传输，从一个网元到另一个网元的每一跳，都具有高达一个最大数据帧的传输延迟。

对于具有快速控制回路(例如驱动系统中的运动控制)的IO应用，Profinet IRT提供了高度的确定性，并且可以提供1ms以下、直至31.25μs的循环时间。

Profinet IRT使用抖动(也就是在数字信号传输时的时间时钟震颤)小于1μs的时间同步，具有时间规划(time-scheduled，类似于TDMA，时分多址)的传输和所谓的“直通”交换，即，交换站在前一交换站已完全接收到待传输的数据帧之前就转发了该数据帧。如已经说明的那样，这两种传输方法需要适于应用在工业以太网中的具体硬件。

IRT的原理是保护IRT数据传输(IRT数据的传输)不受其他数据传输(RT和其他非RT数据)的干扰。这通过使用专用时间窗口(用于Profinet IRT的“红色阶段(Red Phase)”、“绿色阶段(Green Phase)”和“黄色阶段(Yellow Phase)”的预留带宽)并通过使用上述的直通交换来最小化网桥(交换点)处的IRT数据帧的延迟。

在此严格地将“红色阶段”预留用于PROFINET RT Class 3，它具有最高优先级，即在此期间不能传输其他数据包。