[发明专利]以太网网络实时性的提高

说明书

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100Mbit/s的传输速度下占用传输媒介的时间约达125μs。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0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。