EREIGNISGESTEUERTEN NACHRICHTEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von ereignisgesteuerten (ET-) und zeitgesteuerten (TT-) Nachrichten in einem verteilten Echtzeitsystem mittels einer Verteilereinheit, die eine Low-Level Vermittlungseinheit (LLVME) und eine High-Level Vermittlungseinheit (HLVME) beinhaltet, wobei Kommunikations-Ports der Verteilereinheit zu anderen Vermittlungseinheiten und/ oder Endsystemen des Echtzeitsystems an die LLVME angeschlossen sind.

Weiters betrifft die Erfindung eine Verteilereinheit zur Verteilung von ereignisgesteuerten (ET-) und zeitgesteuerten (TT-) Nachrichten in einem verteilten Echtzeitsystem, wobei die Verteilereinheit eine Low-Level Vermittlungseinheit (LLVME) und eine High-Level Vermittlungseinheit (HLVME) beinhaltet, wobei Kommunikations-Ports der Verteilereinheit zu anderen Vermittlungseinheiten und/ oder Endsystemen des Echtzeitsystems an die LLVME angeschlossen sind.

Weiters betrifft die Erfindung noch ein verteiltes Echtzeitsystem mit zumindest einer, z.B. genau einer solchen Verteilereinheit.

Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich der Computertechnik. Sie beschreibt ein innovatives Verfahren, wie in einem verteilten Echtzeitsystem ereignisgesteuerte und zeitgesteuerte Nachrichten vermittelt werden können.

In verteilten Echtzeitsystemen können die geforderten Zeitbedingungen zwischen den Sensoreingaben von einem technischen Prozess und den Ausgaben an die Stellglieder des technischen Prozesses genau eingehalten werden, wenn die Kommunikation zwischen den Rechner knoten des verteilten Echtzeitsystems zeitgesteuert abläuft [1]. In den vorherrschenden nicht zeitkritischen Kommunikationssystemen, z.B. in Ethernet, wird die Kommunikation entsprechend dem ereignisgesteuerten Ansatz durchgeführt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung dafür anzugeben, wie eine bestehende ereignisgesteuerte Nachrichtenverteilereinheit kostengünstig erweitert werden kann, um auch zeitgesteuerte Nachrichten zu vermitteln.

Diese Aufgabe wird mit einem eingangs genannten Verfahren sowie mit einer eingangs erwähnten Verteilereinheit dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die LLVME über den Zugriff auf eine globale Zeitbasis verfügt und dazu eingerichtet ist, zwischen ET- Nachrichten und TT-Nachrichten zu unterscheiden, wobei die LLVME eine auf einem ihrer Ports eintreffende ET-Nachricht an die HLVME weiter leitet, so dass die HLVME die Analyse und zeitliche Einplanung der ET-Nachricht vornehmen kann, bevor sie diese ET- Nachricht wieder an die LLVME zur Ausgabe an die designierten Ausgangsports der LLVME übergibt, und wobei die LLVME, insbesondere rechtzeitig, vor der ihr bekannten Ausgabe einer TT-Nachricht einen Pauseframe an die HLVME sendet, so dass während des für die TT-Nachricht vorab bekannten und eingeplanten Sendeslot von der HLVME die Übertragung keiner ET-Nachricht eingeplant wird, und wobei die LLVME eine eintreffende TT-Nachricht entsprechend dem ihr bekannten Zeitplan direkt zur Ausgabe an die designierten Ausgangsports übergibt.

Erfindungsgemäß wird also angenommen, dass eine Nachrichtenverteilereinheit aus zwei Subsystem besteht, einer Low-Level Vermittlungseinheit (LLVME), die über eine globale Zeit verfügt, und einer high-level Vermittlungseinheit (HLVME), die keinen Zugriff auf eine globale Zeit haben muss und ereignisgesteuerte Nachrichten vermitteln kann. Die LLVME enthält die Kommunikations-Ports, über die die Endsysteme (Rechnerknoten) oder weitere Nachrichtenverteilereinheiten angeschlossen sind. Eine über einen Kommunikations-Port der LLVME eintreffende Nachricht wird in der LLVME analysiert um festzustellen, ob die Nachricht der Klasse der ereignisgesteuerten oder der Klasse der zeitgesteuerten Nachrichten angehört. Eine ereignisgesteuerte Nachricht wird der HLVME zur Vermittlung weiter geleitet. Die HLVME untersucht die Nachricht und entscheidet unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Nachrichtenverkehrs, zu welchem Zeitpunkt die Nachricht von der HLVME an die LLVME zur Ausgabe an den designierten Ausgangsport der LLVME übergeben wird.

Eine zeitgesteuerte Nachricht wird von der LLVME direkt an den designierten Ausgangsport entsprechend dem in der LLVME gespeicherten Zeitplan für zeitgesteuerte Nachrichten geleitet. Um sicherzustellen, dass der designierte Ausgangsport zum a priori bekann- ten Sendezeitpunkt der zeitgesteuerten Nachricht nicht von einer ereignisgesteuerten Nachricht belegt ist, sendet die LLVME rechtzeitig einen Pauseframe an die HLVME, so dass die HLVME den Ausgangsport zum Zeitpunkt der Übertragung der zeitgesteuerten Nachricht nicht verplant.

Im folgenden werden einige weitere Begriffe, die in dem vorliegenden Dokument verwendet werden, erklärt. Eine Nachricht ist zeitgesteuert (time-triggered (TT) message), wenn der Sendezeitpunkt der periodischen Nachricht in einem a priori bekannten Zeitplan festgelegt ist. Eine Nachricht ist ereignisgesteuert (event-triggered (ET) message), wenn der Sendezeitpunkt der Nachricht nach dem best-effort [4, S. 175] Prinzip festgelegt wird. Ein Pauseframe ist eine Nachricht, die von der LLVME an die HLVME gesendet wird um der HLVME mitzuteilen, dass während des in dem Pauseframe angegebenen Zeitintervalls keine weitere Nachrichten an die LLVME zur Vermittlung gesendet werden dürfen. Das Zeitintervall zwischen dem Senden des Pauseframes durch die LLVME und dem spätesten Beginn der Pause wird als Aktiüierungsjitter bezeichnet. Um sicherzustellen, dass der designierte Ausgangsport der LLVME zum a priori bekannten Sendezeitpunkt einer zeitgesteuerten Nachricht frei ist, muss das Intervall zwischen dem Senden der Pauseframes von der LLVME an die HLVME und dem geplanten Sendezeitpunkt der Nachricht dem Aktiüierungsjitter entsprechen.

Da die Struktur und Funktion des Pauseframes im IEEE Standard 802.3 für Ethernet Nachrichten spezifiziert ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung bestehende, dem IEEE Standard entsprechende, Ethernet-Nachrichten- Verteilereinheiten für Ereignisnachrichten kostengünstig durch das Hinzufügen einer LLVME zur Übertragung von zeitgesteuerten Nachrichten zu erweitern ohne in der bestehenden Ethernet-Nachrichten- Verteilereinheit Änderungen durchführen zu müssen. Da einige der bestehenden Nachrichtenverteilereinheiten in einem ASIC implementiert sind und Änderungen in einem ASIC einen hohen Kostenaufwand verursachen, ist die Erfindung von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Die Unterteilung einer Nachrichtenverteilereinheit in zwei hierarchisch angeordnete Subsysteme, wobei das untere Subsystem die unmittelbare Vermittlung durchführt und das überlagerte Subsystem entscheidet, in welcher Reihenfolge die Nachrichten vermittelt werden sollen, ist bereits Stand der Technik und wird u.a. in [3] beschrieben. Allerdings liefert der Stand der Technik keine Informationen, die den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lö- sungsansatz zur Integration von zeitgesteuerter und ereignisgesteuerter Nachrichtenvermittlung nahelegen.

Die vorliegend beschriebene Erfindung legt somit ein Verfahren offen, wie eine bestehende Nachrichtenverteilereinheit für ereignisgesteuerte Nachrichten (z.B. für Ethernet Nachrichten) erweitert werden kann, um auch zeitgesteuerte Nachrichten zu vermitteln. Erfindungsgemäß wird der bestehenden Nachrichtenverteilereinheit eine Low-Level Vermittlungseinheit vorgeschaltet, die die Vermittlung der zeitgesteuerten Nachrichten vornimmt und sicherstellt, dass zum a priori geplanten Sendezeitpunkt der zeitgesteuerten Nachricht keine ereignisgesteuerte Nachricht den designierten Ausgangsport der zeitgesteuerten Nachricht belegt.

Weiters vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Verteilereinheit sind die folgenden:

*) die LLVME sendet den Pauseframe zum Pauseframesendezeitpunkt an die HLVME, wobei der Pauseframesendezeitpunkt sich errechnet aus dem geplanten Sendezeitpunkt der zeitgesteuerten Nachricht minus dem implementierungsabhängigen, insbesondere a priori bekannten, Aktiüierungsjitter; und/ oder

*) die Dauer der mittels des Pauseframes angeforderten Pause wird durch die Summe des Aktiüierungsjitters plus der, insbesondere a priori bekannten, maximalen Übertragurigsdauer der zeitgesteuerten Nachricht bestimmt; und/ oder

*) eine Kopie einer zeitgesteuerten Nachricht wird von der LLVME zu Monitorzwecken an die HLVME weitergeleitet; und/ oder

*) der Pauseframe entspricht in Struktur und Funktion dem IEEE Standard 802.3; und/ oder

*) die LLVME sendet den Pauseframe zum Pauseframesendezeitpunkt nur dann an die HLVME, wenn zum Pauseframesendezeitpunkt ein entsprechender TT Frame in der LLVME eingetroffen ist; und/ oder

*) der die zeitgesteuerten Nachrichten betreffende Zeitplan wird mittels eines kryp- tographisch gesicherten Protokolls in die LLVME geladen; und/ oder *) der in der LLVME gespeicherte Zeitplan wird durch fehlererkennende Codes gesichert; und/ oder

*) der in der LLVME gespeicherte Zeitplan wird durch fehlerkorrigierende Codes gesichert. Im Folgenden ist Erfindung an Hand der Zeichnung genauer erklärt. Dabei zeigt Fig. 1 den strukturellen Aufbau der erweiterten Nachrichtenverteilereinheit, und Fig. 2 den zeitlichen Ablauf Übertragung eines Pauseframes.

Das folgende konkrete Beispiel behandelt eine der vielen möglichen Realisierungen des neuen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Nachrichtenverteilereinheit mit der Low-Level Vermittlungseinheit (LLVME) 102 und der High-Level Vermittlungseinheit (HLVME) 101. Erfindungsgemäß hat die LLVME 102 Zugriff auf die globale Zeit mit bekannter Präzision [4, S.56]. Diese globale Zeit kann entsprechend dem IEEE Standard 1588 oder mit einem anderen herstellerabhängigen Synchronisationsverfahrens aufgebaut werden. Auf den bidirektionalen Kommunikations-Ports 110 der LLVME 102 treffen die zu vermittelnden Nachrichten ein und werden die vermittelten Nachrichten ausgegeben. Unmittelbar nach dem Eintreffen einer Nachricht über einen der Kommunikations-Ports 110 entscheidet die LLVME 102 ob die eintreffende Nachricht eine ET Nachricht oder eine TT Nachricht ist. Diese Entscheidung muss eindeutig sein. Sie kann auf unterschiedlichen Informationen aufbauen. Der einfachste Fall liegt vor, wenn der Inhalt eines dediziertes Nachrichtenfeldes im Header der Nachricht, wie z.B. das Ethernet Type Field [2] angibt, ob die Nachricht eine TT Nachricht oder eine ET Nachricht ist. Es ist aber auch möglich im Rahmen einer Analyse der MAC Adressen, der Port Adressen oder des Zeitpunkts des Eintreffens einer Nachricht, oder dem Inhalt eines dedizierten Nachrichtenfeldes (oder einer Kombination der angeführten Informationen) diese Entscheidung vorzunehmen. Der TT-Ethernet Standard [5] gibt Methoden vor, wie eine zeitgesteuerte Nachricht identifiziert werden kann. Wenn die eintreffende Nachricht eine ET Nachricht ist, wird sie über den leistungsfähigen Kommunikationskanal 120 an die HLVME zur Bearbeitung weitergeben. Die HLVME entscheidet unter Berücksichtigung der Nachrichtenart und des vorhandenen Verkehrsaufkommen, wann diese Nachricht über den leistungsfähigen Kommunikationskanal 121 an die LLVME übergeben wird, damit die LLVME die Nachricht über die designierte Port-Adresse 110 ausgeben kann. Die HLVME kann auch Monitorfunktionen ausführen, um Informationen über Verkehrsaufkommen, Auslastung der Kommunikationskanäle und eventuellen Fehlern zu sammeln.

Wenn die LLVME 102 eine Nachricht als zeitgesteuert klassifiziert, dann wird die Nachricht entsprechend dem in der LLVME gespeicherten Zeitplan zum geplanten Ausgabezeitpunkt direkt von der LLVME an den designierten Kommunikations-Port der LLVME ausgebeben. Der Zeitplan muss vor der Vermittlung von zeitgesteuerten Nachrichten in die LLVME geladen werden. Um sicherzustellen, dass der Zeitplan von einer autorisierten Instanz unverfälscht übernommen wurde, kann das Laden eines neuen Zeitplans mittels kryp- tographische Protokolle gesichert werden. Die Speicherung des Zeitplans kann innerhalb der LLVME durch fehlererkennende oder fehlerkorrigierende Codes gesichert werden.

Um sicherzustellen, dass zum Zeitpunkt der Ausgabe einer zeitgesteuerten Nachricht über den designierten Kommunikations-Port der LLVME 102 keine ereignisgesteuerte Nachricht diesen designierten Kommunikations-Port belegt, muss die LLVME rechtzeitig vor dem Senden einer zeitgesteuerten Nachricht mittels eines Pauseframes eine Pause von der HLVME anfordern. Ein solcher Pauseframe ist im IEEE Standard 802.3 standardisiert worden.

Fig. 2 stellt den zeitlichen Ablauf der Übertragung des Pauseframes dar, um die Rechtzeitigkeit der Pause zu gewährleisten. Auf der Abszisse 200 von Fig. 2 ist das Fortschreiten der Zeit dargestellt. Entsprechend dem in der LLVME gespeicherten Zeitplan soll zum a priori bekannten Zeitpunkt 230 mit dem Senden der zeitgesteuerten Nachricht von der LLVME über den designierten Ausgangsport 110 begonnen werden. Zu diesem Zeitpunkt muss der designierte Ausgangsport der LLVME für die Übertragung der zeitgesteuerten Nachricht frei sein. Wir bezeichnen die Summe aus Übertragungszeit des Pauseframes von der LLVME an die HLVME plus die maximale Verarbeitungszeit des Pauseframes in der HLVME plus die Dauer der längsten am designierten Ausgangsport zu übertragenden ET Nachricht als Aktiüierungsjitter des Pauseframes. Die Rechtzeitigkeit des Sendens des Pauseframes von der LLVME an die HLVME ist gegeben, wenn das Intervall zwischen dem Pauseframesendezeitpunkt 210 und dem designierten Sendezeitpunkt 230 der zeitgesteuerten Nachricht dem Aktiüierungsjitter entspricht. Bei einer zeitgesteuerten Schedule mit einem geringen Spiel (laxity) kann der in Fig. 2 dargestellte Fall eintreten, dass die zeitgesteuerte Nachricht erst zum Zeitpunkt 220 bei der LLVME eintrifft. Aufgrund der im Zeitplan der LLVME gespeicherten Information und der der LLVME bekannten Dauer des Aktivierungsjitter muss die LLVME schon vor diesem Eintreffen 220 der zeitgesteuerten Nachricht bei der LLVME die Pause zum Pauseframesendezeitpunkt 210 von der HLVME anfordern.

Alternativ kann das Spiel in der zeitgesteuerten Schedule so erweitert werden, dass erst nach Eintreffen der Nachricht bei der LLVME der Pauseframe gesendet werden muss. Dies hat den Vorteil, dass wenn keine zeitgesteuerte Nachricht eintrifft auch keine Pause angefordert werden muss.

Die in dem Pauseframe enthaltene Dauer der Pause muss so gewählt werden, dass die längste zu übertragende zeitgesteuerte Nachricht vor dem Ende der Pause übertragen worden ist. Erfindungsgemäß kann der Pauseframe in Struktur und Funktion dem IEEE Standard 802.3 entsprechen

Wenn auch zeitgesteuerte Nachrichten in die Monitorfunktionen einbezogen werden sollen, so werden von der LLVME auch die zeitgesteuerten Nachrichten an die HLVME gesendet. Nachdem die HLVME eine zeitgesteuerte Nachricht analysiert hat (um die gewünschten Monitorinformationen zu erheben), verwirft die HLVME die zeitgesteuerte Nachricht.

Das beschriebene Verfahren zur Integration von zeitgesteuerten und ereignisgesteuerten Nachrichten kann vorzugsweise in der Software auf einer CPU, als Logik in einem FPGA Baustein oder als eigenständiger ASIC Baustein realisiert werden.

Die vorliegende Erfindung legt somit offen, wie eine bestehende Nachrichtenverteilereinheit für ereignisgesteuerte Nachrichten (z.B. für Ethernet Nachrichten) erweitert werden kann, um auch zeitgesteuerte Nachrichten zu vermitteln. Erfindungsgemäß wird der bestehenden Nachrichtenverteilereinheit eine Low-Level Vermittlungseinheit vorgeschaltet, die die Vermittlung der zeitgesteuerten Nachrichten vornimmt und sicherstellt, dass zum a priori geplanten Sendezeitpunkt der zeitgesteuerten Nachricht keine ereignisgesteuerte Nachricht den designierten Ausgangsport der zeitgesteuerten Nachricht belegt. Zitierte Literatur:

[1] US 5,694,542 Kopetz, H. Time-triggered communication control unit and communication method. Granted December 2, 1997.

[2] US 7,839,868. Kopetz, H. Communication method and System for the transmission of time-driven and event-driven Ethernet messages. Granted November 23, 2010.

[3] US 2007/0083622 Wang et al. Ethernet Switch and Service Processing Method thereof. Pub. Date April 12, 2007.

[4] Kopetz, H. Real-Time Systems, Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer Verlag. 2011.

[5] SAE Standard AS6802 von TT Ethernet. URL: http://standards.sae.org/as6802 [6] IEEE 802.3 Ethernet Standard. URL: http://www.ieee802.org/3/

[7] IEEE 1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Network Measurement and Control Systems. URL: http://www.ieeel588.com/