在通信系统内传输时间关键数据的方法和通信控制装置与流程

本发明涉及用于在通信系统内传输时间关键数据、特别是工业自动化系统中的控制数据的方法以及设置用于执行该方法的通信控制装置。

背景技术：

1、工业自动化系统通常包括经由工业通信网络相互联网的大量自动化设备，并且在生产或加工自动化的范围中用于控制或调节设施、机器或设备。由于工业自动化系统中的时间关键的约束条件，主要使用实时通信协议、例如profinet、profibus、实时以太网或时间敏感网络(tsn)来在自动化设备之间进行通信。

2、如果用于传输具有实时要求的数据流或数据帧的网络资源与传输具有大量用户数据内容且无特定服务质量要求的数据帧竞争，由于通常用于极其不同的应用，则在基于以太网的通信网络中会例如产生问题。这会导致具有实时要求的数据流或数据帧无法根据要求或所需的服务质量传输。

3、根据ep 3 038 325 a1，为了在工业自动化系统的通信网络中进行数据传输，仅在周期性的第一时间区间内通过通信网络的耦合通信设备来传输包括用于自动化系统的控制数据的第一数据帧。第二数据帧或者第三数据帧在周期性的第二时间区间内传输，其中，第二数据帧与包括数据帧的数据流序列相关联，并且对于第三数据帧的传输没有确定服务质量或者确定低于预设的阈值的服务质量。第一时间区间被分为第一子区间和第二子区间。将要转发的第一数据帧以子区间交替的方式接入第一或第二等待队列中，并且交替地从等待队列中取出以进行转发。

4、在wo 2019/001718 a1中描述一种用于数据传输的方法，该方法实现受保护的通信和低的网络配置耗费的组合。在此，在预留用于将数据流(串流)从传送器传输至接收器的资源的情况下，预留至少两个至少局部部段冗余的路径。通过扩展预留协议，在资源预留期间，在与冗余的路径部段相关联的网络节点处执行自动配置重复过滤器。

5、从wo 2020/114706 a1中已知一种用于传输时间关键数据的通信系统，其中将选定的数据报分配给数据流并且经由用于数据流的路径传输。为了预留要通过通信设备为传输数据流而提供的资源，将分别至少包括对第一和第二网络节点的数据和服务质量参数的预留请求分别通过预留功能部件传输给上级的通信控制装置，预留功能部件与第一或第二通信终端设备或与其连接的转发数据报的通信设备相关联。上级的通信控制装置在预留请求中分别确定路径，并且检查：在通信设备中在遵守指定的服务质量参数的情况下对于传输数据流沿着相应的路径是否有充足的资源可用，并且为选定的通信设备确定建议的本地周期持续时间。

6、在文献“用于时间敏感网络中高精度通信的重新配置算法：使用ieee 802.10cc(扩展版本)的时间感知整形器配置”(arxiv.org，康奈尔大学图书馆，201olin，康奈尔大学图书馆，ithaca,ny 14853，2019年6月27日，(2019-06-27))中，提出一种用于在通信系统内传输时间关键的数据的方法。在此，将选定的数据报分配给数据流，并且经由包括第三通信设备的路径从第一通信设备传输到第二通信设备。上级的通信控制装置分别确定用于相应数据流的路径，并且在可用性充足的情况下预留用于经由第三通信设备传输相应的数据流的资源。在可用资源充足的情况下，上级的通信控制装置分别至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得将分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的传输队列中。

7、us2006/092963 a1涉及一种用于在网络内通信的方法，其中首先产生具有有保证的服务质量(qos)的无线网络客户端中的数据流的配置文件。在接收到配置文件时，创建用于为数据流实现qos的配置参数。根据配置参数来配置分配给数据流的数据路径的层。如果充足资源可用性缺乏，则实施为尽力而为式数据通信。

8、即使在中央串流预留模型的情况下，串流预留请求原则上彼此独立地传输给中央网络控制器cnc或传输给上级的通信控制装置。在接收到串流预留请求后，只要在相应的通信系统中有充足的资源可用，中央网络控制器就立即规划预留请求。这通常称作为递增排程。这现在可以引起：如果例如在为时间关键应用、例如数据分析应预留系统资源之后不再存在充足的系统资源，则中央网络控制器必须拒绝对本身高优先化的进程的串流预留请求、特别是工业自动化系统中的时间关键的控制进程。

技术实现思路

1、本发明基于如下目的，即提出一种用于在通信系统内传输时间关键数据的方法，该方法实现有效地预留资源并且可靠地建立用于传输高优先化数据的数据流，并且给出适合于执行该方法的装置。

2、根据本发明，该目的通过具有权利要求1中说明的特征的方法和具有权利要求14中说明的特征的通信控制装置来实现。在从属权利要求中说明有利的改进方案。

3、按照根据本发明的用于在通信系统内传输时间关键数据的方法，将选定的数据报分配给数据流并且经由包括第三通信设备的路径从第一通信设备传输到第二通信设备。为了公布能订阅的数据流，第一通信设备各自传输包括数据流标识符的第一数据报并且在第一数据报中指定相应的数据流的服务质量参数。而为了预留待由第三通信设备提供的用于传输数据流的资源，第二通信设备各自传输第二数据报并且在第二数据报中指定相应的数据流标识符。响应于第一数据报和第二数据报，上级的通信控制装置分别确定相应的数据流的路径，并且通信控制装置在可用性充足的情况下预留用于经由第三通信设备传输相应的数据流的资源。

4、要通过尤其第三通信设备提供的资源例如包括可用的传输时间窗口、带宽、保证的最大延迟、队列号、交换机或网桥中的队列缓存和/或地址缓存。优选地，根据第一通信设备的预留请求，分别通过上级的通信控制装置将数据流标识符提供给相应的第一通信设备。另外，根据本发明，数据流对于数据流的数据报的传输队列分配分别通过数据流的数据流标识符和数据流到虚拟局域网的分配来识别，特别是根据ieee 802.1cb来识别。

5、如果可用资源充足，则上级的通信控制装置分别至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的传输队列中。相反，在充足资源的可用性缺乏或不确定的情况下，上级的通信控制装置分别至少暂时地至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得分配给选定的数据流的数据报各自排入用于在没有特定服务质量保证的情况下处理的数据通信的传输队列中。有利地，上级的通信控制装置分别通过相应的转发数据库中的条目至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，以实现将哪个虚拟局域网分别分配给数据流和/或是否和/或以何种优先级将分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的传输队列中。

6、总体而言，本发明实现：避免为其应用或相关联的进程的优先级低于随后应预留资源的应用或进程的串流预留资源，使得对于高优先化的应用或进程可以确保预留用于串流的资源。这尤其对于在引导过程期间动态地分配用于串流的资源是重要的，其中预留请求到达的顺序有时会难以预测。因此，借助本发明够用的是：根据串流预留请求，首先在通信系统中仅公布相应的串流id，而不立即预留资源。根据本发明，例如当存在要考虑的所有预订请求的概览时，这可以在稍后的时间点进行。

7、根据本发明的一个特别优选的设计方案，如果可用资源充足，则上级的通信控制装置分别至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，从而将数据流分别分配给虚拟局域网并且基于该分配将分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的相应的传输队列中。在充足资源的可用性缺乏或不确定的情况下，上级的通信控制装置分别至少暂时地至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，从而将选定的数据流分别分配给虚拟局域网，基于虚拟局域网的分配，将分配给相应的选定的数据流的数据报各自排入用于在没有特定服务质量保证的情况下处理的数据通信的相应的传输队列中。因此，可以通过虚拟局域网的分配来改变：是否和/或以何种优先级将分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的传输队列中。因此能以简单的方式实现：通过重写边缘桥或交换机中的vlan(虚拟局域网)优先级值，可以根据网络负载动态增加或减少串流预留请求的优先化。

8、优选地，上级的通信控制装置在通信系统的正在进行的运行期间以时间受控和/或事件受控的方式创建全部数据流的更新的优先化，并且基于当前可用的资源确定：能够将哪些数据流至少暂时地作为选定的数据流进行处理。特别地，上级的通信控制装置能够在通信系统的运行开始时分别至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得首先将全部数据流分别分配给虚拟局域网，根据虚拟局域网的分配，将分配给相应的选定的数据流的数据报各自排入用于在没有特定服务质量保证的情况下处理的数据通信的相应的传输队列中。有利地，上级的通信控制装置在运行开始之后创建全部数据流的优先化，并且根据优先化以及能用的资源来确定应该将哪些数据流至少暂时地作为选定的数据流进行处理。以该方式，至少对于高优先化的控制应用或进程确保了可靠地预留用于传输与控制应用或进程相关联的串流的资源。

9、根据本发明的一个特别优选的设计方案，通信设备经由时间敏感网络彼此连接，特别是根据ieee 802.3-2018、ieee 802.1q-2018、ieee 802.1ab-2016、ieee 802.1as-2011、ieee 802.1ba-2011和/或ieee 802.1cb-2017彼此连接。在此，借助于帧抢占、特别是根据ieee 802.1q-2018的帧抢占、时间感知整形器、特别是根据ieee 802.1q-2018的时间感知整形器、基于信用的整形器、特别是根据ieee 802.1q-2018基于信用的整形器、突发限制整形器、蠕动整形器和/或基于优先级的整形器，控制选定的数据报的转发。

10、此外，在第三通信设备中优选地分别至少提供为具有增加的实时要求的第一数据流预留的传输队列、为没有增加的实时要求的第二数据流预留的传输队列以及用于没有特定服务质量保证的数据通信、尤其尽力而为式数据通信的传输队列。在此，在可用性充足的情况下，上级的通信控制装置首先仅为第一数据流预留用于经由第三通信设备传输相应的数据流的资源，并且通信控制装置分别配置第三通信设备以至少暂时地将第二数据流作为选定的数据流进行处理，即作为尽力而为式数据通信处理。有利地，上级的通信控制装置在对于经由第三通信设备传输第一数据流充足资源可用的情况下检查：对于传输第二数据流是否有充足的资源可用。因此，第三通信设备分别相应地配置成将分配给第二数据流的数据报排入为第二数据流预留的传输队列中。因此，确保根据分别先分配的数据通信等级连续地预留用于传输数据流的资源。

11、根据本发明的通信控制装置设置用于执行根据前述实施方案的方法，并且包括至少一个用于与转发数据报的通信设备连接的端子。通信控制装置设计和设置用于，响应于由第一通信设备传输的、用于公布能订阅的数据流的第一数据报，并且响应于由第二通信设备传输的、用于预留待由第三通信设备为传输数据流提供的资源的第二数据报，分别确定相应的数据流的路径，并且在可用性充足的情况下预留用于经由第三通信设备传输相应的数据流的资源。

12、此外，根据本发明的通信控制装置设计和设置用于，如果可用资源充足，则分别至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得分配给数据流的数据报各自排入为数据流预留的传输队列中。此外，通信控制装置还设计和设置用于，在充足资源的可用性缺乏或不确定的情况下，分别至少暂时地至少配置与第一通信设备或第二通信设备连接的第三通信设备，使得分配给选定的数据流的数据报各自排入用于在没有特定服务质量保证的情况下处理的数据通信的传输队列中。