专利名称：以太网网络实时性的提高的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在发送器和接收器之间传输至少一个以太网数据包的方法、一种用于执行根据本发明的方法的装置、以及一种带有这种装置的网络设备。
背景技术：
这种方法或这种装置尤其被使用在工业通信(例如，制造设备)领域中，在该领域中越来越多地使用了基于以太网的通信协议。由于根据IEEE802. 3标准的以太网在许多情况下无法达到确定性和实时性的要求，因此难以将迄今为止的现场总线(例如，Profibus,Interbus)在以太网上调整为现场总线。根据IEEE802. 3的以太网的确定性性能差的原因在于在64字节和1522字节之间的(具有VLAN标签，相应地在没有前同步码和SFD “Start Frame Delimiter”的情况下)极不稳定的数据包大小，其中，关于实时性的主要问题是约为1500字节的最大数据包大小。如果数据包的发送过程被干扰，那么将无法再中断该发送过程。这些长以太网数据包由此在相当长的一段时间中阻塞了传输信道，并且还由此使得高优先级的数据包延迟。因此，以太网数据包在lOOMbit/s的传输速度下占用传输媒介的时间约达125 μ S。在此后立即准备好进行发送的、并具有更高优先级的数据包由此也被延迟直至将旧数据包完全发送完。由于该延迟不仅出现在网络用户(网络设备、终端设备)处，还出现在每个网络节点(例如交换机)处，因此上述问题进一步恶化。由此，正是在易于装配的线性拓扑(Linientopologie)中，在串联100个设备时出现了较长的最大延迟时间，例如12. 5ms。数据包的传输时间由此能够在O和12. 5ms之间波动，这对于许多实时性应用而言太大了。在那些基于IEEE802. 3的工业网络协议(如Ethernet-IP、PROFINET IRT)的确定性和实时性不足的应用中，这些基于以太网的网络协议被认定为不再适用于IEEE802. 3的网络协议，并且由此还需要用于网络部件(交换机)的特殊部件。为此所需的这些设备远不如根据IEEE802. 3的标准部件那么有效和灵活；另外，这些部件更加昂贵，并且大部分都需要额外的特殊的网络配置和网络设计。这个缺陷妨碍了以太网在对确定性和实时性要求较高的应用中的扩展。现今，实时性的协议通过所有用户的高精度的时间同步来实现确定性。时分复用可通过时间同步来实现(PROFINET IRT、用于实时协议以及其他协议的时间相位)，或通过在协议中构建时间戳(Ethernet-IP、Ethercat)来实现。然而以太网协议本身保持不变。以太网的这种有利于将网络用户的时间输入端在传输媒介上进行规划的专有变体(PROFINET IRT> Ethercat、Ethernet Powerlink)也需要网络节点和网络用户中的特殊硬件，并且使用了与IEEE802. 3不兼容的协议。
发明内容
本发明的目的在于，在使用符合IEEE802. 3的网络部件的情况下实现程度较高的实时性和确定性。该目的在开头所述类型的方法的方面中由此来实现，即借助以太网单元-组件在发送器处将各个以太网数据包拆分成被称为以太网数据包的多个以太网单元，-其中，接收MAC地址和在可能的情况下存在的以太网数据包的用于以太网单元的VLAN标签(标签)，-其中，按顺序将以太类参数和以太网数据包的有效数据记录到以太网单元的数据区中，-其中，根据有效数据的量和数据区的大小 得出以太网单元的数量，-其中，标出可分配给各个以太网数据包的以太网单元，-其中，在每个以太网单元中标注出有效数据在相应的数据区中所占用的字节数，以及-其中，每个以太网单元通过以太类参数被识别为以太网单元，并且在接收器处借助以太网单元-组件将多个以太网单元组合成以太网数据包。该目的进一步通过这种以太网单元-组件以及具有在权利要求6或权利要求7中所给出的特征的网络设备来实现。通过将以太网数据包拆分成以太网单元(自然具有比最大的数据包大小明显更小的长度)来消除上述问题的本质原因，即，长以太网数据包。现在能够以标准的、符合IEEE802. 3的网络来处理该短以太网单元；基于现在较小的数据包长度，可以明显减小高优先级的实时数据包的延迟。对此，与现今基于以太网的实时协议相比，该方法不需要特殊的网络管理，而仅仅需要对终端设备进行微小的改变。对于拆分和组合的过程而言，起决定性作用的是用于发送器和接收器之间的通信关系的明确的标记，以太网中已经通过源-和目的MAC地址来提供该标记。为了实现实时性能，必须提供至少两个优先级类别，一个用于低优先级的报文，而另一个用于高优先级的报文。对于优先级类别而言，使用了 VLAN标签中的优先位(IEEE802. 1Q)。由于低优先级的和高优先级的报文应可以被同时发送，所以在发送器和接收器之间为每个实现的优先级均给出了两个通信关系。以太网单元包括关于单元在数据包中的位置的信息(例如第一个，最后一个或在此之间；当然还存在其他的拆分方法)，这使得接收器处的以太网单元-组件知道数据包的传输何时完成。由于(在最后的单元中)不必完全占用数据区并且利用例如“O”来填补剩余的字节，因此为此存在关于被有效数据所占用的数据区中的字节数的信息。可以这样设计用于拆分和组合的方法，即能够通过普通的、符合IEEE802. 3的网络来转发数据包(或单元)，从而能够使用对于网络而言可在市场上买到的、符合IEEE802. 3的网络部件。对用户而言，这意味着明显更低的费用以及明显更大的可能的带宽。以太网的实际的实时实施(PROFINET IRT, Ethercat, Ethernet Powerlink…)大部分被 100Mbit的带宽限制，但在此期间以太网标准也成本低廉地提供了 IGbit或IOGbit的带宽。现在可以以更大的、IGbit或甚至IOGbit的带宽来使用网络部件，这可以实现与当今特殊的实施方式相比更好的实时性。这样设计该方法，即无需对网络进行特殊的实时配置。对于用户而言，该网络表现为符合IEEE802. 3的标准以太网网络。基于网络符合IEEE802. 3的构造，也可以使用标准以太网的所有其他的机构和协议，例如冗余和网络管理。用户也能够在未应用明确的实时协议的情况下使用实时通信。为此仅仅需要发送其具有高优先级的实时报文。由此，用户便能够避开在连接可能性(例如，PROFINET中的主机/辅机)方面对常用的实时协议的限制。在一个有利的构造方式中，以太网数据包的循环冗余检查(FCS :Frame CheckSequence)也被传输到以太网单元的数据区中。通过这种方式,处在接收器处的以太网单元-组件能够重新将原数据包重组-其中包括了具有长度为4字节的CRC “帧检查序列(Cyclic Redundancy Check)”的“循环冗余检查(Frame Check Sequence)”。传输错误以及拆分_/组合错误通过被原数据包的变化的CRC显现出来，并且这作用于以太网标准机构。(单个的以太网单元当然同样具有-符合标准的-FCS或CRC)。在另一个有利的实施方式中，通过不同的以太类参数来表示各个以太网数据包的配属关系的标记以及有效数据所占用的字节数。通过该方式能够提供信息，但不必在本来已很小的数据区中为此提供存储空间。在另一个有利的实施方式中，将作为用于各个以太网数据包的配属关系的标记以及有效数据所占用的字节数以变量的形式存储在各个以太网单元的数据区中。在这个可选 的构造方式中，尽管变量占用了 I字节的数据区，但以太类参数对此足以将以太网数据包标记成以太网单元。该参数可以例如表现为拆分/重组-状态(SRS)并且例如被放置在以太网单元的数据区的第一个字节中。在另一个有利的实施方式中，以太网数据包被拆分成具有最小允许长度的以太网单元。在传输率为100Mbit/s时，通过将以太网数据包缩短到64字节(没有前同步码和SFD)来使得现在仅仅才具有大约6μ s的延迟(与传输最大的以太网数据包时的125 μ s相比)。因此即使在一条线中具有100个用户时仅仅还得出O. 6ms (代替12. 5ms)。在传输率时更高，这个延迟时间自然还可以被再次明显缩短。在有利的构造方式中，在根据本发明的网络设备中，根据本发明的以太网单元-组件被布置在PHY层(物理层)和MAC层(媒体存取控制层)之间。在较短的以太网单元中的拆分过程和原始以太网数据包的组合过程逻辑地在PHY层和MAC层之间进行。在发送方向上，MAC层被用于为每个优先级类别提供发送数据流。在具有至少两个优先级类别时，高优先级的数据包可以超过已经在发送状态中的低优先级的数据包。在接收器的方向上，以太网单元-组件接收以太网单元并且在存储单元(“Connection RAM”)中记录下(被拆分的以太网数据包的)数据包的已经接收到的组成部分。如果数据包已经被完全接收(也就是说，原以太网数据包的所有以太网单元)，那么该数据包将被转发给MAC层。
下面借助图中所示的实施例详细地描述和阐述本发明。该图示出了 网络接口中的以太网单元-组件的示意图。
具体实施例方式该图示出将以太网单元-组件I集成到网络设备的标准以太网接口的数据流中的情况。重要的是该以太网单元-组件I只有对于网络的用户连接来说才是必要的，另外，这种带有交换机的网络与IEEE802. 3完全相符。在发送器方向上，MAC层6为每个优先级类别提供发送数据流。在具有至少两个优先级类别时(如图所示)，高优先级的数据包可以优先于已经在发送状态中的低优先级的数据包；如果不存在优先级类别的话，那么必须持续将正在发送的数据包发送完毕。以太网单元-组件I的发送单元2现在将长以太网数据包分成了短以太网单元，并且相应地发送这些具有最高优先级的以太网单元。在接收方向上，以太网单元-组件I的接收单元3接收以太网单元并且在存储单元4 (“Connection RAM”)中记录下数据包的已接收到的组成部分。如果数据包被完全接收，那么便将其转发给MAC层6。如果网络中存在有“普通的”(长的、未被拆分的)以太网数据包时，那么直接将其转发。普通的以太网数据包虽然会对网络的实时性产生不良影响，但仍能够通过带有以太网单元-组件I的网络来进行处理。由于现在在网络中的数据包明显较短的在例如，以太网帧最小值为64字节(没有前同步码和SFD)，即便是100个用户在仅600 μ s的线上进行传输，那么现在也仅仅产生了大约6 μ s/节点的延迟。除了用户连接上的以太网单元-组件I外，剩余的所有网络基础设施均符合IEEE802. 3。由于能够根据每个短数据包来确定优先级，所以现在在VLAN标签中的优先级控制也是有效的。
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以太网单元本身是完全符合IEEE802. 3的、以太网类型固定的数据包，该数据包被称为以太网单元。有效数据包括由拆分/重组-状态(SRS)以及部分被拆分的有效数据。SRS也能够可替代地通过不同的以太类型来实现。对于拆分-和重组-过程而言，起决定作用的是用于在发送器和接收器之间的通信关系的明确的标记，在以太网中已经通过源-和目的MAC地址提供了该标记。为了实现实时性能，必须提供至少两个优先级类别，一个用于低优先级的报文，另一个用于高优先级的报文。对优先级类别而言，使用的是VLAN标签中的优先位(IEEE802. 1Q)。由于优先级低的报文和优先级高的报文应可以被同时发送，所以在发送器和接收器之间为每个实现的优先级给出了两个通信关系。不具有VLAN标签的以太网报文(-数据包)被以太网单元-组件I的发送单元2拆分，当然还是被分成了没有VLAN标签的以太网单元。没有VLAN标签的以太网单元(或-数据包)具有最低的优先级。VLAN标签对于拆分而言并不重要，它仅对以太网报文(-数据包)、例如RT-报文的优先而言是必要的。下面将阐述将200字节的以太网数据包分成64字节的以太网单元的方法。所选的拆分方式和SRS结构仅仅是示例性的。带有200字节有效数据的以太网数据包另外包括分别为6字节的MAC源地址和目的地址、4字节的VLAN标签、2字节的以太类参数2，并且除了有效数据外还另外包括4字节的帧检查序列、FCS或CRC，也就是说总共222字节。除了有效数据以外对传输而言所必要的字节当然也存在于以太网单元中，从而使得在整体为64字节的长度中还为数据区留有42字节，其中的I字节被SRS所占用。SRS现在包括与数据包中的以太网单元的位置(“Firsdody”，“Last”)相关的信息以及数据区中传输的字节数。由于数据区所能够包括的字节小于41字节并且为此以“O”来填补剩余的字节(“Padding”)，所以SRS是必要的。在六个以太网单元中装有有效数据、以太类参数以及原数据包的CRC (206字节)。由于尺寸最小的5个以太网单元的数据区仅仅能够容纳205字节，所以最后的以太网单元仅仅能传输I个字节，而无法与之前的单元一样传输41个字节。由于对于根据本发明的方案而言，以太网单元不必具有例如64字节固定数量的整体长度，所以也可能可选地使第五个以太网单元长于I字节。这些单元的长度可能在例如64和80字节之间，由此可能仍始终能够为高优先级的以太网报文提供足够小的延迟。有意义的是根据其“出现”的顺序将以太网数据包的需拆分的数据记录到以太网单元的数据区中，也就是说，在第一以太网单元的41字节大小的数据区中记录了以太类参数(2字节)以及以太网数据包的39字节有效数据，并且在随后的三个以太网单元中分别记录了 41字节的有效数据。第五个以太网单元选择性地传输剩余的38字节的有效数据以及还有以太网数据包的3个字节的FCS (由此保持了最小的数据包大小)或除了有效数据外还传输了 FCS的全部4个字节(由此使得数据包的大小扩大了 I字节到了 65字节)。在第一种情况下自然还需要(如上面已描述的那样)用来传输最后的FCS字节的第六单元，其中，利用零来填补剩余的数据区。利用这种方法能够将由五个或六个以太网单元构成的以太网单元-组件I重新重组成原来的数据包。原数据包的未变化的CRC将显示出传输错误和拆分_/重组错误并且这些错误作用于以太网标准机构。发送200字节的原以太网数据包总共需要222字节。该数据包将通过拆分被分成五个以太网单元，其中前四个单元相应地为64字节，第五单元为65字节，或将该数据包 分成六个分别为64字节的单元，那么现在总共将发送321字节或384字节。由于使用了IOOMbit (或甚至达到IOGbit)的高传输量，所以现在不再将提高数据量的大约50%视作是问题。由于不可能将时隙完全用尽，因此现在基于时分复用的实时性的以太网变型也不能实现理论上可能的传输量。由于以太网的实际上的实时应用大部分收到IOOMbit的带宽的限制，所以现在通过可能地使用具有更大带宽的网络部件来提供更好的实时性，该实时性通常优于现今的特殊应用中的实时性。综上所述，本发明涉及了一种在发送器和接收器之间传输至少一个以太网数据包的方法，一种用于实施根据本发明的方法的装置，以及一种具有这种装置的网络设备。为了在使用符合IEEE802. 3的网络部件的情况下达到更高程度的实时性和确定性提出将发送器处的各个以太网数据包拆分成所谓以太网数据包的多个以太网单元并在接收器处将其重新组合。通过将以太网数据包拆分成以太网单元(自然具有明显小于最大数据包大小的长度)，高优先级的实时数据包的延迟将明显短于长的、未拆分的以太网数据包。
权利要求
1.一种在发送器和接收器之间传输至少ー个以太网数据包的方法，其特征在干， 借助以太网単元-组件(I)在所述发送器处将各个以太网数据包拆分成被称为所述以太网数据包的多个以太网单元， -其中，接收MAC地址和在可能的情况下存在的所述以太网数据包的用于所述以太网单元的VLAN标签， -其中，按顺序将以太类參数和以太网数据包的有效数据记录到所述以太网单元的数据区中， -其中，根据所述有效数据的量和所述数据区的大小得出所述以太网单元的数量， -其中，标出可分配给各个所述以太网数据包的所述以太网单元， -其中，在每个以太网单元中标注出所述有效数据在相应的数据区中所占用的字节数，以及 -其中，每个以太网单元通过所述以太类參数被识别为所述以太网单元， 并且在所述接收器处借助以太网単元-组件(I)将多个以太网单元组合成所述以太网数据包。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述以太网数据包的循环冗余检查也被记录到所述以太网单元的所述数据区中。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，通过不同的以太类參数来表示各个以太网数据包的配属关系的标记以及所述有效数据所占用的字节数。
4.根据权利要求I或2所述的方法，其中，将作为用于各个以太网数据包的所述配属关系的所述标记以及所述有效数据所占用的所述字节数以变量的形式存储在各个以太网单元的所述数据区中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述以太网数据包被拆分成具有最小允许长度的以太网单元。
6.ー种以太网单元-组件(1)，具有用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的工具，所述以太网单元-组件至少具有发送单元(2)、接收单元(3)以及存储单元(4)，借助所述发送单元将以太网数据包拆分成以太网単元，可借助所述接收单元将所述以太网单元组合成所述以太网数据包。
7.一种用于发送和/或接收以太网数据包的网络设备，其特征在于ー种根据权利要求6所述的以太网单元-组件(I)。
8.根据权利要求7所述的网络设备，其中，所述以太网单元-组件(I)布置在PHY层(5)和MAC层(6)之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于在发送器和接收器之间传输至少一个以太网数据包的方法、一种用于执行根据本发明的方法的装置、以及一种带有这种装置的网络设备。为了在使用符合IEEE802.3的网络部件的情况下达到程度较高的实时性和确定性而提出在发送器处将各个以太网数据包拆分成被称为以太网数据包的多个以太网单元并在接收器处将其重新组合。通过将以太网数据包拆分成以太网单元(自然具有明显小于最大数据包大小的长度)，高优先级的实时数据包的延迟将明显短于长的、未拆分的以太网数据包。
文档编号H04L12/40GK102714612SQ201080061909
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年1月19日
发明者哈拉尔德·卡尔 申请人:西门子公司