Verfahren und System zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes , insbesondere innerhalb eines Kommunikationsnetzes eines industriellen Automatisierungssystems , und ein System, insbesondere einen Host , zur Durchführung dieses Verfahrens .

Industrielle Automatisierungssysteme umfassen üblicherweise eine Viel zahl von über ein industrielles Kommunikationsnetz miteinander vernetzten Automatisierungsgeräten und dienen im Rahmen einer Fertigungs- oder Prozessautomatisierung zur Steuerung oder Regelung von Anlagen, Maschinen bzw . Geräten . Aufgrund zeitkritischer Rahmenbedingungen in industriellen Automatisierungssystemen werden zur Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten überwiegend Echtzeit-Kommunikationsprotokolle , wie PROFINET , PROFIBUS , Real-Time-Ethernet oder Time-Sensitive Networking ( TSN) , verwendet . Insbesondere können Steuerungsdienste bzw . -anwendungen automatisiert und auslastungsabhängig auf aktuell verfügbare Server oder virtuelle Maschinen eines industriellen Automatisierungssystems verteilt werden .

WO 2022 / 042905 Al betri f ft ein Verfahren zur Bereitstellung von zeitkritischen Diensten, denen j eweils zumindest eine Server-Komponente zugeordnet ist , die durch eine in eine Ablaufsteuerungsumgebung ladbare und dort aus führbare Ablaufsteuerungskomponente gebildet wird . Für die Server-Komponenten wird j eweils eine Funktionseinheit zur Verarbeitung eines Kommunikationsprotokollstapels verfügbar gemacht , die mit einer der Ablaufsteuerungsumgebung zugeordneten Funktionsein- heit zur Verarbeitung eines Kommunikationsprotokollstapels verbunden ist . Die Dienste umfassen j eweils eine Verzeichnisdienst-Komponente zur Ermittlung mittels der Ablaufsteuerungsumgebung bereitgestellter Dienste . Die Verzeichnisdienst-Komponenten werden miteinander über eine separierte Kommunikationsschnittstelle verbunden . Mit der separierten Kommunikationsschnittstelle ist eine mittels einer weiteren Ablaufsteuerungskomponente gebildete Aggregator-Komponente verbunden, die Angaben über die mittels der Server-Komponenten bereitgestellten Dienste außerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung verfügbar macht .

In EP 3 975 502 Al ist ein Verfahren zur Bereitstellung von zeitkritischen Diensten mittels einer Ablaufsteuerungsumgebung beschrieben, bei dem für j eden Dienst j eweils zumindest eine Server-Komponente vorgesehen ist , die durch eine in die Ablaufsteuerungsumgebung ladbare und dort aus führbare Ablaufsteuerungskomponente gebildet wird . Eine Konfigurationseinheit für zumindest eine Gateway-Komponente eines die Ablaufsteuerungsumgebung umfassenden Teilnetzes ermittelt j eweils zu innerhalb des Teilnetzes gültigen Adressierungsinformationen der Server-Komponenten zugeordnete global gültige Zugangsinformationen . In Abhängigkeit von einem mittels der Konfigurationseinheit vorgegebenen Betriebsmodus werden eine oder mehrere parallel bzw . seriell verbundene Gateway-Komponenten verwendet . Die zumindest eine Gateway-Komponente leitet Dienstzugri f fsanfragen entsprechend Weiterleitungs- bzw . Filterregeln, welche die Zugangsinformationen abbilden, und dem Betriebsmodus an die Server-Komponenten weiter .

Aus der älteren europäischen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 22177736 . 0 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Steuerungsanwendungen mittels Ablaufsteuerungskomponenten für Steuerungsanwendungen bekannt , deren Aus führung ausge- wählte Privilegien erfordert . Hierzu wird j eweils eine Spezifikation benötigter sicherheitskritischer Ressourcen erstellt . Anhand der Spezi fikationen wird j eweils eine zusätzliche Ablaufsteuerungskomponente ermittelt , die für eine Bereitstellung eines Zugri f fs auf die benötigten sicher- heitskritischen Ressourcen vorgesehen ist . Dementsprechend wird eine Aus führung der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente gemeinsam mit der zusätzlichen Ablaufsteuerungskomponente gestartet . Durch eine Ablaufsteuerungsumgebung wird eine Schnittstelle zur Interprozesskommunikation zwischen der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente und der zusätzlichen Ablaufsteuerungskomponente eingerichtet . Der Zugri f f auf die j eweils benötigten sicherheitskritischen Ressourcen wird mittels Interprozesskommunikation zwischen der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente und der zusätzlichen Ablaufsteuerungskomponente bereitgestellt .

US 2022 /263770 Al betri f ft ein Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes , bei dem die zeitkritischen Daten von bzw . zu Steuerungsanwendungen übermittelt werden, die j eweils mittels eines Containers bereitgestellt werden . Zur Reservierung von Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von zeitkritische Daten umfassenden Datenströmen senden die Container j eweils einen Reservierungsauftrag an ein Reservierungsmodul , das einem Hypervisor zugeordnet ist .

Aufgrund einer zunehmend flexibleren funktionalen Ausgestaltung von industriellen Automatisierungsgeräten werden verstärkt in Automatisierungsgeräte nachladbare Steuerungsanwendungen genutzt . Diese Steuerungsanwendungen können beispielsweise mittels Container-Virtualisierung verfügbar gemacht werden . In industriellen Automatisierungssystem bestehen üblicherweise hohe Anforderungen hinsichtlich deterministischer Kommunikation mit definierten Quality-of-Service-Eigenschaf- ten einerseits und in Bezug auf eine aufwandsarme Integration industrieller Steuerungsanwendungen andererseits .

Bisherige Standards zu Time-sensitive Networks tragen mittels Container-Virtualisierung implementierte Steuerungsanwendungen nur wenig Rechnung . Zwar ist in IEC 60802 ein „Industrial Profile" mit technischen Komponenten für Time-sensitive Networks für industrielle Automatisierungssysteme definiert . Jedoch werden mittels Container-Virtualisierung implementierte Steuerungsanwendungen dort weitgehend mit virtuellen Maschinen gleichgesetzt und Software-Container daher wie physikalische Endgeräte behandelt . Dies hat für Entwickler von mittels Container-Virtualisierung implementierten Steuerungsanwendungen zur Folge , dass komplexe Endgeräte-Sof tware-Stacks in ihre Anwendungen integriert werden müssen . Hieraus resultieren wiederum hohe Kosten sowie Inbetriebnahme- und Wartungsaufwände .

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes zu schaf fen, das auf Basis von Container-Virtualisierung eine aufwandsarme und zuverlässige Realisierung von Steuerungsanwendungen mit deterministischem Kommunikationseigenschaften ermöglicht , sowie eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein System mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes werden die zeitkritischen Daten von bzw . zu Steuerungsanwendungen übermittelt , die j eweils mittels zumindest einer Ablaufsteuerungskomponente bereitgestellt werden, die in eine auf einem Host installierte Ablaufsteuerungsumgebung ladbar und dort aus führbar ist . Dabei wird den Ablaufsteuerungskomponenten j eweils zumindest ein virtueller Netzadapter zugeordnet .

Vorzugsweise laufen die Ablaufsteuerungskomponenten innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung isoliert voneinander ab und nutzen gemeinsam einen Betriebssystemkern des Hosts . Insbesondere können die Ablaufsteuerungskomponenten Software-Container, WebAssembly- oder Java Bytecode sein bzw . umfassen . Darüber hinaus können die Ablaufsteuerungskomponenten auch Container- Gruppen umfassen, beispielsweise Pods . Grundsätzlich können für die Ablaufsteuerungskomponenten auch alternative Micro- Virtualisierungskonzepte , wie Snaps , verwendet werden . Speicherabbilder für Software-Container können beispielsweise aus einem durch eine Viel zahl von Nutzern lesend bzw . schreibend zugrei fbaren Speicher- und Bereitstellungssystem abgerufen werden .

Die Ablaufsteuerungsumgebung kann insbesondere eine Container-Lauf zeitumgebung bzw . Container-Engine sein, durch die ein Anlegen, Löschen bzw . Verknüpfen von virtuellen Ressourcen erfolgt . Dabei umfassen die virtuellen Ressourcen Software-Container, virtuelle Kommunikationsnetze und diesen zugeordnete Verbindungen . Beispielsweise kann die Ablaufsteuerungsumgebung eine Docker Engine oder einen Snap Core umfassen, die bzw . der auf einer Server-Einrichtung abläuft . Grundsätzlich können auch andere ( orchestrierte ) Container- Lauf zeitumgebungen, wie podman oder Kubernetes , verwendet werden . Alternativ zu einer Container-Lauf zeitumgebung kann für die Ablaufsteuerungsumgebung auch eine WebAssembly-Lauf- zeitumgebung oder eine Java Virtual Machine verwendet werden .

Den virtuellen Netzadaptern werden erfindungsgemäß durch eine Queue-Steuerungseinheit dynamisch Sende-/Empf angsqueues zumindest eines physischen Netzadapters des Hosts zugeordnet . Dabei umfasst der physische Netzadapter insbesondere eine PHY- und MAC-Komponente . Vorzugsweise werden den Ablaufsteuerungskomponenten die virtuellen Netzadapter durch die Queue- Steuerungseinheit j eweils innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung zugeordnet .

Die Ablaufsteuerungskomponenten senden zur Reservierung von Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von zeitkritische Daten umfassenden Datenströmen j eweils einen Reservierungsauftrag an ein der Ablaufsteuerungsumgebung zugeordnetes Reservierungsmodul . Das Reservierungsmodul sendet anhand den Ablaufsteuerungskomponenten zugeordneter Dienstgüteanforderungen j eweils eine Reservierungsanfrage oder -bestätigung an den j eweiligen Datenstrom weiterleitende Kommunikationsgeräte oder eine übergeordnete Steuerungseinheit des Kommunikationsnetzes zur Reservierung der Ressourcen .

Die Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme umfassen insbesondere nutzbare Übertragungs zeitf enster, Bandbreite , zugesicherte maximale Latenz , Queue-Anzahl , Queue-Cache bzw . Adress-Cache in Switches oder Bridges als weiterleitenden Kommunikationsgeräten . Eine Weiterleitung der Datenströme innerhalb des Kommunikationsnetzes wird beispielsweise mittels Frame Preemption, insbesondere gemäß IEEE 802 . IQ, mittels Ti- me-Aware Shaper, insbesondere gemäß IEEE 802 . IQ, mittels Credit-Based Shaper, insbesondere gemäß IEEE 802 . IQ, mittels Burst Limiting Shaper, mittels Peristaltic Shaper und/oder mittels Priority-Based Shaper gesteuert . Genannte Standards sind zur Implementierung von Time-sensitive Networks ( TSN) spezi fi ziert .

Die Reservierungsanfrage oder -bestätigung kann insbesondere eine Talker Advertise , Talker Announce , Listener Ready oder Listener Join Nachricht sein . Außerdem werden die Dienstgüteanforderungen den Ablaufsteuerungskomponenten vorteilhafterweise j eweils anhand einer Klassi fi zierung ihrer j eweiligen Echt Zeitanforderung zugeordnet . Dabei erfolgt die Klassi fizierung der Ablaufsteuerungskomponenten beispielsweise auf Grundlage einer Klassi fi zierungsrichtlinie .

Das Reservierungsmodul die Queue-Steuerungseinheit veranlasst erfindungsgemäß , dem virtuellen Netzadapter der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente entsprechend einer den Dienstgüteanforderungen zugeordneten Priorität Zugri f f auf die Sende-/ Empfangsqueues des physischen Netzadapters einzuräumen . Vorzugsweise werden die Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme bei ausreichender Verfügbarkeit in den j eweiligen weiterleitenden Kommunikationsgeräten reserviert . Insbesondere veranlasst das Reservierungsmodul die Queue-Steuerungseinheit nur bei erfolgreicher Reservierung, dem virtuellen Netzadapter der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente Zugri f f auf die Sende-/Empf angsqueues des physischen Netzadapters einzuräumen .

Mit der vorliegenden Erfindung entfällt eine Integration und Pflege von Software-Stacks insbesondere für Time-sensitive Networks in Container-basierte Steuerungsanwendungen . Durch das Reservierungsmodul und die Queue-Steuerungseinheit werden nämlich innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung für Containerbasierte Steuerungsanwendungen einfach nutzbare Anwendungsschnittstellen bereitgestellt . Insgesamt ermöglicht dies eine einfache Verwendung von Hosts mit entsprechend virtualisier- ten Steuerungsanwendungen in Time-sensitive Networks und eine transparente Unterstützung unterschiedlicher Hardware-Konfigurationen j e nach Leistungsanforderungen an das j eweilige Time-sensitive Network .

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sendet das Reservierungsmodul die Reservierungsanfragen oder -bestätigungen j eweils entsprechend einem für die j eweilige Ablaufsteuerungskomponente ausgewählten Reservierungsprotokoll an die weiterleitenden Kommunikationsgeräte oder die übergeordnete Steuerungseinheit des Kommunikationsnetzes . Dabei kann das Reservierungsmodul das Reservierungsprotokoll beispielsweise anhand durch ein weiterleitendes Kommunikationsgerät , an das der Host angeschlossen ist , insbesondere entsprechend IEEE 802 . IQ bereitgestellter Informationen bzw . anhand durch die übergeordnete Steuerungseinheit des Kommunikationsnetzes bereitgestellter Informationen auswählen . Da das Reservierungsmodul diese Funktionen für die j eweilige Steuerungsanwendung übernimmt , ist seitens der Steuerungsanwendungen eine Berücksichtigung von Spezi fika zur Auswahl eines geeigneten Reservierungsprotokolls nicht mehr erforderlich .

Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schaltet die Queue-Steuerungseinheit bei einer Einräumung des Zugri f fs auf die Sende-/Empf angs- queues des physischen Netzadapters Host-interne Hardware- bzw . Software-Schnittstellen zwischen dem j eweiligen virtuellen Netzadapter und zumindest einer ausgewählten Sende-/Emp- fangsqueue frei . Auf diese Weise ist eine schnelle , zuverlässige und bedarfsgerechte Zuordnung der Sende-/Empf angsqueues gewährleitet . Dementsprechend kann die Queue-Steuerungseinheit bei der Einräumung des Zugri f fs auf die Sende-/Empf angs- queues j eweils verfügbare Sende-/Empf angsqueues und Hardware- bzw . Software-Schnittstellen für die Ablaufsteuerungskomponenten zur Übermittlung der Datenströme reservieren .

Insbesondere konfiguriert die Queue-Steuerungseinheit den physischen Netzadapter, dass reservierte Sende-/Empf angsqueues an den zugeordneten virtuellen Netzadaptern der Ablaufsteuerungskomponenten mit der Priorität zur Verfügung stehen, die der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente zugeordnet ist . Somit wird eine konsistente Allokierung von Hostinternen Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von priorisierten Datenströmen durch die Ablaufsteuerungskomponenten erzielt .

Vorteilhafterweise teilt die Queue-Steuerungseinheit dem Reservierungsmodul nach einer erfolgreichen Konfiguration des physischen Netzadapters j eweils für die Übermittlung der Datenströme zu verwendende virtuelle Netzadapter und Sende-/ Empfangsqueues mit . Das Reservierungsmodul sendet diese Informationen zur Bestätigung des Reservierungsauftrags an die j eweilige Ablaufsteuerungskomponente . Anhand der von der Bestätigung ihres j eweiligen Reservierungsauftrags umfassten Informationen können die Ablaufsteuerungskomponenten j eweils einen Datenstrom-Zugri f fspunkt insbesondere als Socket anlegen und die Datenströme gezielt über die j eweils zu verwendenden virtuellen Netzadapter und Sende-/Empf angsqueues senden bzw . empfangen . Dies ermöglicht eine einfache und sichere Einrichtung von Datenströmen für die Ablaufsteuerungskomponenten . Vorzugsweise werden die virtuellen Netzadapter zum Senden bzw . Empfangen der Datenströme den Ablaufsteuerungskomponenten durch die Queue-Steuerungseinheit bei Bedarf zugeordnet und j eweils mit einer Funktionseinheit zur Implementierung eines Netzwerkprotokoll-Stacks der j eweiligen Ablauf- Steuerungskomponente verbunden . Somit können Host-interne Ressourcen besonders ef fi zient genutzt werden .

Datenströme sendende Kommunikationsgeräte bzw . Steuerungsanwendungen senden zur Bekanntmachung abonnierbarer Datenströme vorzugsweise j eweils einen Datenstrom- Identi fikator umfassende erste Datagramme und spezi fi zieren in den ersten Datagrammen Dienstgüteanforderungen kennzeichnende Dienstgüteparameter für den j eweiligen Datenstrom . Demgegenüber senden Datenströme empfangende Kommunikationsgeräte bzw . Steuerungsanwendungen zur Reservierung von durch weiterleitende Kommunikationsgeräte für eine Übermittlung der Datenströme bereitzustellenden Ressourcen j eweils zweite Datagramme und spezi fi zieren in diesen den j eweiligen Datenstrom- Identi fikator . Auf die ersten und zweiten Datagramme reservieren die weiterleitenden Kommunikationsgeräte j eweils bei ausreichender Verfügbarkeit Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme entsprechend den spezi fi zierten Dienstgüteparametern . Dabei wird die Verfügbarkeit durch die übergeordnete Steuerungseinheit des Kommunikationsnetzes bzw . die weiterleitenden Kommunikationsgeräte überprüft . Dies ermöglicht ein hohes Maß an Konformität zu stehenden Standards für Time-sensitive Networks .

Das erfindungsgemäße System ist zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend vorangehenden Aus führungen vorgesehen und umfasst eine auf einem Host installierte Ablaufsteuerungsumgebung sowie zumindest eine Ablaufsteuerungskomponente zur Bereitstellung einer Steuerungsanwendung . Die Ablaufsteuerungskomponente ist in die Ablaufsteuerungsumgebung ladbar und dort aus führbar . Außerdem umfasst das System eine Queue- Steuerungseinheit und ein der Ablaufsteuerungsumgebung zugeordnetes Reservierungsmodul . Das System ist dafür eingerichtet , dass zeitkritischen Daten von bzw . zu der Steuerungsan- Wendung übermittelt werden und dass der Ablaufsteuerungskomponente zumindest ein virtueller Netzadapter zugeordnet wird .

Die die Queue-Steuerungseinheit des erfindungsgemäßen Systems ist dafür eingerichtet , virtuellen Netzadaptern dynamisch Sende-/Empf angsqueues zumindest eines physischen Netzadapters des Hosts zuzuordnen . Des Weiteren ist die Ablaufsteuerungskomponente dafür eingerichtet , zur Reservierung von Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von zeitkritische Daten umfassenden Datenströmen j eweils einen Reservierungsauftrag an das Reservierungsmodul zu senden . Das Reservierungsmodul ist demgegenüber dafür eingerichtet , anhand Ablaufsteuerungskomponenten zugeordneter Dienstgüteanforderungen j eweils eine Reservierungsanfrage oder -bestätigung an den j eweiligen Datenstrom weiterleitende Kommunikationsgeräte oder eine übergeordnete Steuerungseinheit eines Kommunikationsnetzes zur Reservierung der Ressourcen zu senden . Ferner ist das Reservierungsmodul dafür eingerichtet , die Queue-Steuerungseinheit zu veranlassen, dem virtuellen Netzadapter der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente entsprechend einer den Dienstgüteanforderungen zugeordneten Priorität Zugri f f auf die Sende-/ Empfangsqueues des physischen Netzadapters einzuräumen .

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst dieses ein Kommunikationsnetz mit mehreren Kommunikationsgeräten . Außerdem sind die Ablaufsteuerungskomponenten dafür eingerichtet , innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung isoliert voneinander abzulaufen und gemeinsam einen Betriebssystemkern des Hosts zu nutzen . Vorzugsweise ist die Queue-Steuerungseinheit dafür eingerichtet , den Ablaufsteuerungskomponenten die virtuellen Netzadapter j eweils innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung zuzuordnen . Schließlich ist das Kommunikationsnetz dafür eingerichtet , die Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme bei ausrei- ehender Verfügbarkeit in den j eweiligen weiterleitenden Kommunikationsgeräten zu reservieren . Insgesamt ermöglicht dies sowohl Host-intern als auch Kommunikationsnetz-weit eine konsistente Zuteilung von Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von Datenströmen durch Ablaufsteuerungskomponenten .

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Aus führungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert . Es zeigt die

Figur ein System zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb eines Kommunikationsnetzes von bzw . zu Steuerungsanwendungen, die mittels Ablaufsteuerungskomponenten bereitgestellt werden .

Das in der Figur dargestellte System umfasst einen Host 100 zur Bereitstellung von Steuerungsanwendungen eines industriellen Automatisierungssystems mittels Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 , die im vorliegenden Aus führungsbeispiel durch Software-Container implementiert sind . Die Steuerungsanwendungen des industriellen Automatisierungssystems sind exemplarisch für zeitkritische Dienste und können auch Überwa- chungs funktionen umfassen . Darüber hinaus umfasst das System ein Kommunikationsnetz 200 mit mehreren Daten weiterleitenden Kommunikationsgeräten 201-203 , insbesondere Switche , mehreren Endgeräten 221-222 , beispielsweise speicherprogrammierbare Steuerungen oder Bedien- und Beobachtungsstationen, und einer übergeordneten Steuerungseinheit 210 , wie einem Central Network Controller .

Der Host 100 kann mittels der Steuerungsanwendungen beispielsweise Funktionen von Steuerungsgeräten eines industriellen Automatisierungssystems , wie speicherprogrammierbaren Steuerungen, oder von Feldgeräten, wie Sensoren oder Aktoren, implementieren . Auf diese Weise kann der Host 100 insbesondere für einen Austausch von Steuerungs- und Messgrößen mit durch den Host 100 gesteuerten Maschinen oder Vorrichtungen genutzt werden . Dabei kann der Host 100 aus erfassten Messgrößen geeignete Steuerungsgrößen für die Maschinen oder Vorrichtungen ermitteln .

Alternativ oder zusätzlich kann der Host 100 mittels der Steuerungsanwendungen Funktionen einer Bedien- und Beobachtungsstation implementieren und somit zur Visualisierung von Prozessdaten bzw . Mess- und Steuerungsgrößen genutzt werden, die durch Automatisierungsgeräte verarbeitet bzw . erfasst werden . Insbesondere kann der Host 100 zur Anzeige von Werten eines Regelungskreises und zur Veränderung von Regelungsparametern oder -programmen verwendet werden .

Die den Steuerungsanwendungen zugeordneten Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 sind in eine Ablaufsteuerungsumgebung 112 ladbare sowie dort aus führbar . Die Ablaufsteuerungsumgebung 112 wird mittels des Hosts 100 bereitgestellt und ist dort auf als Anwendung auf einem Betriebssystem 111 des Hosts 100 installiert . Im vorliegenden Aus führungsbeispiel sind bzw . umfassen die Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 Software- Container, die j eweils von anderen Software-Containern, Container-Gruppen bzw . Pods isoliert innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung 112 ablaufen . Dabei nutzen die Software- Container j eweils gemeinsam mit anderen auf dem Host 100 ablaufenden Software-Containern einen Kernel des Betriebssystems 111 des Hosts 100 . Die Ablaufsteuerungsumgebung 112 ist insbesondere eine Container-Engine , durch die ein Anlegen, Löschen bzw . Verknüpfen von virtuellen Ressourcen erfolgt . Dabei können die virtuellen Ressourcen Software-Container, virtuelle Kommunikationsnetze und diesen zugeordnete Verbindungen umfassen . Eine I solation der Ablaufsteuerungskomponenten bzw . eine I solation von ausgewählten Betriebssystemmitteln untereinander kann insbesondere mittels Control Groups und Namespacing realisiert werden . Mittels Control Groups lassen sich Prozessgruppen definieren, um verfügbare Ressourcen für ausgewählte Gruppen zu beschränken . Über Namespaces können einzelne Prozesse oder Control Groups gegenüber anderen Prozessen oder Control Groups isoliert bzw . verborgen werden . Speicherabbilder für Software-Container können beispielsweise aus einem durch eine Viel zahl von Nutzern lesend bzw . schreibend zugrei fbaren Speicher- und Bereitstellungssystem abgerufen werden .

Zur Übermittlung zeitkritischer Daten innerhalb des Kommunikationsnetzes 200 , die von bzw . zu den Steuerungsanwendungen übermittelt werden, die mittels der Ablaufsteuerungskomponente 131- 133 bereitgestellt werden, wird den Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 durch eine Queue-Steuerungseinheit 120 j eweils ein virtueller Netzadapter 121- 123 innerhalb der Ablaufsteuerungsumgebung 112 zugeordnet . Den virtuellen Netzadaptern 121- 123 werden durch die Queue-Steuerungseinheit 120 wiederum dynamisch Sende-/Empf angsqueues 101- 103 eines physischen Netzadapters 110 des Hosts 100 zugeordnet . Die virtuellen Netzadapter 121- 123 können beispielsweise als Virtual Functions (VFs ) im Rahmen von Single Root I /O Virtuali zation ( SR- IOV) ausgeführt sein . Alternativ hierzu können die virtuellen Netzadapter 121- 123 j e nach Netzadapter-Hardware und gewählter Virtualisierungslösung auch als PCIe Scalable Functions oder Sub- functions ( SFs ) realisiert sein .

Die Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 senden zur Reservierung von Ressourcen zum Senden bzw . Empfangen von zeitkritische Daten umfassenden Datenströmen ( Streams ) j eweils einen Reservierungsauftrag 11 an ein der Ablaufsteuerungsumgebung 112 zugeordnetes Reservierungsmodul 130 . Die Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme umfassen insbesondere nutzbare Übertragungs zeitf enster, Bandbreite , zugesicherte maximale Latenz , Queue-Anzahl , Queue-Cache bzw . Adress-Cache in den Switchen 201-203 des Kommunikationsnetzes 200 . Dabei kann eine Weiterleitung der Datenströme innerhalb des Kommunikationsnetzes 200 insbesondere mittels Frame Preemption gemäß IEEE 802 . IQ, Time-Aware Shaper gemäß IEEE 802 . IQ, Credit- Based Shaper gemäß IEEE 802 . IQ, Burst Limiting Shaper, Peristaltic Shaper bzw . Priority-Based Shaper gesteuert werden .

Anhand den Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 zugeordneter Dienstgüteanforderungen sendet das Reservierungsmodul 130 j eweils eine Reservierungsanfrage 12a oder Reservierungsbestätigung 12b an den j eweiligen Datenstrom weiterleitende Kommunikationsgeräte 201-203 oder die übergeordnete Steuerungseinheit 210 des Kommunikationsnetzes 200 zur Reservierung der Ressourcen . Im vorliegenden Aus führungsbeispiel werden den Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 die Dienstgüteanforderungen j eweils anhand einer Klassi fi zierung ihrer j eweiligen Echt Zeitanforderung zugeordnet . Diese Klassi fi zierung der Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 erfolgt durch das Registrierungsmodul 130 auf Grundlage einer Klassi fi zierungsrichtlinie , die in einer dem Registrierungsmodul 130 zugeordneten Datenbank 401 hinterlegt ist .

Das Reservierungsmodul 130 sendet die Reservierungsanfragen 12a oder Reservierungsbestätigungen 12b j eweils entsprechend einem für die j eweilige Ablaufsteuerungskomponente 131- 133 ausgewählten Reservierungsprotokoll an die weiterleitenden Kommunikationsgeräte 201-203 oder die übergeordnete Steuerungseinheit 210 des Kommunikationsnetzes . Vorzugsweise wählt das Reservierungsmodul 130 das Reservierungsprotokoll anhand durch ein weiterleitendes Kommunikationsgerät 201-203 , an das der Host 100 angeschlossen ist , entsprechend IEEE 802 . IQ be- reitgestellter Informationen bzw . anhand durch die übergeordnete Steuerungseinheit 210 des Kommunikationsnetzes 200 be- reitgestellter Informationen aus .

Im vorliegenden Aus führungsbeispiel senden Talker als Datenströme sendende Kommunikationsgeräte bzw . Steuerungsanwendungen zur Bekanntmachung abonnierbarer Datenströme j eweils einen Datenstrom- Identi fikator umfassende Talker Advertise Nachrichten 12a, 20a und spezi fi zieren in diesen Nachrichten Dienstgüteanforderungen kennzeichnende Dienstgüteparameter für den j eweiligen Datenstrom . Demgegenüber senden Listener als Datenströme empfangende Kommunikationsgeräte bzw . Steuerungsanwendungen zur Reservierung von durch die weiterleitenden Kommunikationsgeräte 201-203 für eine Übermittlung der Datenströme bereitzustellenden Ressourcen j eweils Listener Ready Nachrichten 12b, 20b und spezi fi zieren in diesen Nachrichten den j eweiligen Datenstrom- Identi fikator .

Die weiterleitenden Kommunikationsgeräte 201-203 reservieren auf die Talker Advertise Nachrichten 12a, 20a und die Listener Ready Nachrichten 12b, 20b j eweils bei ausreichender Verfügbarkeit Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme entsprechend den spezi fi zierten Dienstgüteparametern . Dabei wird die Verfügbarkeit erforderlicher Ressourcen entlang für die Übermittlung der Datenströme in Frage kommender Pfade durch die übergeordnete Steuerungseinheit 210 des Kommunikationsnetzes bzw . die weiterleitenden Kommunikationsgeräte überprüft . Dies ist davon abhängig, ob ein zentrales oder dezentrales Stream-Reservierungsmodell verwendet wird . In j edem Fall ist das Kommunikationsnetz 200 dafür eingerichtet , die Ressourcen zur Übermittlung der Datenströme bei ausreichender Verfügbarkeit in den j eweiligen weiterleitenden Kommunikationsgeräten 201-203 zu reservieren .

Das Reservierungsmodul 130 veranlasst die Queue-Steuerungseinheit 120 mittels eines Steuerungsbefehls 13 , dem virtuellen Netzadapter 121- 123 der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente 131- 133 entsprechend einer den Dienstgüteanforderungen zugeordneten Priorität Zugri f f auf die Sende-/Empf angsqueues 101- 103 des physischen Netzadapters 110 einzuräumen . Vorteilhafterweise veranlasst das Reservierungsmodul 130 die Queue- Steuerungseinheit 120 nur bei erfolgreicher Reservierung der Ressourcen im Kommunikationsnetz 200 , dem virtuellen Netzadapter 121- 123 der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente 131- 133 Zugri f f auf die Sende-/Empf angsqueues 101- 103 des physischen Netzadapters 110 einzuräumen .

Die Queue-Steuerungseinheit 120 schaltet bei einer Einräumung des Zugri f fs auf die Sende-/Empf angsqueues 101- 103 des physischen Netzadapters 110 Host-interne Hardware- bzw . Software- Schnittstellen 501-503 zwischen dem j eweiligen virtuellen Netzadapter 121- 123 und zumindest einer ausgewählten Sende-/ Empfangsqueue 101- 103 frei . Zum Auswählen einer Sende-/Emp- fangsqueue 101- 103 und Freischalten der Hardware- bzw . Software-Schnittstellen 501-503 erfasst die Queue-Steuerungseinheit bereits für eine Übermittlung von Datenströmen verwendete virtuelle Netzadapter 121- 123 und freigeschaltete Hardware- bzw . Software-Schnittstellen 501-503 . Dies protokolliert die Queue-Steuerungseinheit 120 in einer zugeordneten Datenbank 402 . In dieser Datenbank 402 können insbesondere auch Beschreibungen verfügbarer Hardware-Funktionen des physischen Netzadapters 110 und Informationen über eine Zuteilung der Sende-/Empf angsqueues 101- 103 zu Gruppen sowie über Mengengerüste möglicher virtueller Schnittstellen pro physischem Netzadapter hinterlegt sein . Die Queue-Steuerungseinheit reserviert bei der Einräumung des Zugri f fs auf die Sende-/Empf angsqueues 101- 103 j eweils verfügbare Sende-/Empf angsqueues 101- 103 und Hardware- bzw . Software-Schnittstellen 501-503 für die Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 zur Übermittlung der Datenströme . Außerdem konfiguriert die Queue-Steuerungseinheit 120 den physischen Netzadapter 110 mittels eines Konfigurationsbefehls 14 dafür, dass reservierte Sende-/Empf angsqueues an den zugeordneten virtuellen Netzadaptern der Ablaufsteuerungskomponenten mit der Priorität zur Verfügung stehen, die der j eweiligen Ablaufsteuerungskomponente zugeordnet ist . Nach erfolgreicher Konfiguration des physischen Netzadapters 110 sendet dieser eine Statusinformation 15 zur Bestätigung an die Queue-Steuerungseinheit 120 zurück .

Die Queue-Steuerungseinheit 120 teilt dem Reservierungsmodul 130 nach einer erfolgreichen Konfiguration des physischen Netzadapters j eweils mittels einer Antwortnachricht 15 für die Übermittlung der Datenströme zu verwendende virtuelle Netzadapter 121- 123 und Sende-/Empf angsqueues 101- 103 mit . Das Reservierungsmodul sendet diese Informationen 17 zur Bestätigung des Reservierungsauftrags 11 an die j eweilige Ablaufsteuerungskomponente 131- 133 . Die Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 legen anhand der von der Bestätigung ihres j eweiligen Reservierungsauftrags 11 umfassten Informationen j eweils einen Datenstrom-Zugri f fspunkt insbesondere als Socket anl und senden bzw . empfangen die Datenströme gezielt über die j eweils zu verwendenden virtuellen Netzadapter 121- 123 und Sende-/Empf angsqueues 101- 103 . Vorzugsweise werden die virtuellen Netzadapter 121- 123 zum Senden bzw . Empfangen der Datenströme den Ablaufsteuerungskomponenten 131- 133 durch die Queue-Steuerungseinheit 120 bei Bedarf zugeordnet und j eweils mit einer Funktionseinheit 301-303 zur Implementierung eines Netzwerkprotokoll-Stacks der jeweiligen Ablauf steuerungskom- ponente 131-133 verbunden.