CN100454910C - 数据网络中的通信 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在数据网络(101)、尤其是开关以太网中进行通信的方法和系统，以及在该数据网络(101)中的用户(102)。为了在数据网络(101)中减少传送电报(119-135)所需的通信资源，建议，定义以基本时钟周期性重复的时间段，为电报(119-135)分别分配第一标识(U)，其向各电报(119-135)分别指定一组n个相互跟随的时间段以传送各电报(119-135)，其中该组周期性重复；向各电报分别分配一个第二标识(Z)，其向各电报(119-135)分别指定在一组n个时间段序列中的第m个时间段来传送各电报(119-135)，其中1≤m≤n，并且在各自指定的时间段内传送电报(119-135)。

Description

数据网络中的通信
技术领域
本发明涉及一种用于在数据网络、尤其是开关以太网中通信的方法和系统，以及在该数据网络中的用户。
背景技术
数据网络通过联网、即各用户相互间的连接实现了多个用户之间的通信。在此，通信意味着在用户之间传送数据。其中待传送的数据作为数据电报发送，也就是说，数据被组合为多个分组，并以该形式通过数据网络发送到对应的接收器。因此也称为数据分组。在本说明书中，术语“传送数据”完全同义地用于上述传送数据电报或数据分组。联网本身例如在开关的大功率数据网络、尤其是以太网中是这样解决的，即在两个用户之间分别连接至少一个与两个用户都相连的耦合单元。每个耦合单元可以与多于两个用户相连。每个用户至少与一个耦合单元相连，但不能直接与另一个用户相连。用户例如是计算机、可编程存储控制装置(SPS)或其它与别的部件交换电子数据、尤其是处理电子数据的部件。耦合单元例如是所谓的交换机、集线器、网桥、路由器等。与其中每个用户都能直接通过数据总线访问数据网络其它用户的总线系统相反，开关数据网络只涉及点对点连接，也就是一个用户只能通过一个或多个耦合单元将待发送的数据转发到数据网络中的所有其它用户。在开关数据网络中，数据分组也称为帧，因为传送的有用数据通常封装在帧中，特殊的同步位和错误识别位事先或事后设置在有用数据中，并由此将有用数据封装起来。
在分布式自动化系统中，例如在传动技术领域，必须在特定时间使特定的数据到达特定的用户并由接收者对其进行处理。在此涉及的是实时临界的数据或数据交换，因为数据不能实时地到达特定的位置会导致在用户那里产生非期望的后果。
由互联网站http://www.informatik.uni-leipzig.de/ifi/abteilungen/rnvs/lehre/rn2/download/kap09_6.pdf可知，可将时分方法用于通过宽带网络传送数据，其中为不同的传输信道保留时隙并在时间上为用户分配传输信道。在所谓的同步时分(Synchronous Time Division，STD)中定义了传输帧，由确定数量的、固定大小的时隙组成。每个使用者在所分配的传输帧内获得特定的时隙，在该传输帧期间该使用者可以发送和接收。由此，传输信道由传输帧内的时隙位置来标识。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，减少数据网络中传送电报所需的通信资源。
该技术问题是通过一种用于在数据网络中进行通信的方法解决的，其中该方法包括：
●定义以基本时钟周期性重复的时间段，
●为各电报分别分配一个第一标识，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送各电报，其中，该组周期性重复，
●为各电报分别分配一个第二标识，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n，
●在各自指定的时间段内传送电报。
该技术问题还通过一种用于在数据网络的用户之间进行通信的系统解决，其中
●设置了用户，用于在为各电报指定的、以基本时钟周期性重复的时间段内传送该电报，
●为各电报分别分配一个第一标识，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送各电报，其中该组周期性重复，
●为各电报分别分配一个第二标识，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n。
该技术问题还通过一种数据网络中的用户解决，该用户是设置来用于在为各电报指定的、以基本时钟周期性重复的时间段内传送该电报，其中为各电报分别分配一个第一标识，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送各电报，其中该组周期性重复；为各电报分别分配一个第二标识，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n。
本发明基于以下认识，即通过在数据网络的用户之间协调电报的传送，使得在实时环境下也可以采用这样的通信。在一般例如具有基于CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路访问)的接入控制的网络中，所有用户作为消息的发送者来说是平等的，也就是说，各个用户在选择发送消息的时刻时是互相独立的。但是，直到发送过程实际结束无法由此用固定的上限来确定延迟。这限制了在确定性的通信环境中使用这样的网络。在其中用户根据时刻和通信伙伴来统计分配地交换数据的网络中，有时会产生可很好确定的一定的网络负荷。但如果出现周期性n∶1的关系，如在实时环境中常见的那样(即n个用户周期性地向一个用户发送)，则由于没有在接收者那里协调发送，接收时因为n个发送周期的差拍而总是出现无法控制的过载。这可能导致电报丢失，从而影响数据传送的质量。如果接收时间间隔的上限比较大，则可以控制这种情况。但由此在网络中以及在接收者那里都会造成资源的过度利用。通过这里提出的对电报发送时刻的协调，可以避免在接收用户那里出现过载峰值。通过将发送时刻分布在整个时间上，可以在接收用户那里对待处理的电报数量给出一个可以计算和保持的上限。由此通信的可利用性提高，因为电报丢失的概率被减至最小。数据网络的负载可以预测，并由此改善了这里提出的通信的可利用性，尤其是在实时环境和自动化技术中。
根据本发明的优选实施方式，各电报分别具有一个第三标识，该标识用于确定在一个时间段内电报的传送顺序。由此，这些电报在一个时间段的电报序列中分别获得一个唯一的位置，这又优化了电报通信的协调。
为了能在数据网络内传送例如不具有标识的时间上非临界的数据，根据本发明的另一优选实施例，在一个时间段内设置用于传送实时数据的第一区域，和用于传送其它数据的第二区域。
附图说明
下面借助附图中示出的实施例详细描述和解释本发明。其中示出了：
图1示出了开关数据网络中的不同用户，
图2示出了数据网络中一个传输周期中的电报，
图3示出了具有周期性传送的电报的传输周期序列，
图4示出了传送具有不同标识的电报的传输周期序列，
图5示出了具有通信用户的数据网络，以及
图6示出了在这些用户间交换电报的示意图。
具体实施方式
图1示出具有用户1至13的开关数据网络17。用户1-13通过点对点通信连接20-31相互耦接。在图1所示的实施例中，开关数据网络17、例如开关以太网网络，用于使自动化系统的部件相互通信。自动化系统中的用户4-13通过用于转发由通信连接20-30传输的数据分组的耦合元件1-3相互耦接。移动编程设备4、中央处理和观察系统5、分布式处理和观察站6、7、可存储编程的控制器8、9、输入/输出单元10、11以及其它外围设备12、13分别通过点对点连接20-30与开关耦合元件1-3相连。也就是说，自动化系统的用户4-13间的通信不是直接通过所谓的共享介质网络进行的，而是在开关数据网络17中分别通过一个或多个连接的耦合元件1-3进行。在自动化系统完成的复杂任务中一部分对系统的实时性具有很高要求，因此要求自动化系统的用户1-13进行确定性的通信。
图2示出数据网络中一个传输周期60中的电报67-70。图2中电报的时间轴用附图标记66表示。传输周期60具有开始63和结束65。传输周期60以所谓的基本时钟进行周期性重复。在本实施例中，传输周期60的基本时钟是31.25μs的整数倍，在此为25倍，也就是基本时间时钟31.25μs的32倍。因此基本时钟为1ms。传输周期也称为时间段，具有用于传送实时数据的第一区域61和用于传送其它数据的第二区域62。两个区域61和62之间的边界由附图标记64表示。在本实施例中，传输周期60的50％用于传送实时数据，另50％用于传送其它数据。这相当于50％的带宽用于实时数据。由于在根据图1的数据网络17中，根据本方法所有发送用户1-13都借助发送列表控制电报67-70的发送，因此在考察所使用的带宽时在接收用户1-13那里对待接收的电报67-70进行求和。用1ms的基本时钟周期性地传送电报67，用基本时钟持续时间的整数倍周期性地发送电报68-70，尤其是周期性地用一个其周期持续时间由基本时钟与2的幂的乘积给出的时钟来发送电报68-70。例如用2ms的时钟传送电报68，用4ms的时钟传送电报69，最后用1024ms的时钟来传送电报70。由此，仅在每第二传输周期60中用1ms的基本时钟来传送电报68，相应地在每第四传输周期60中传送电报69，而在每第1024传输周期60中传送电报70。
图3示出用于说明本发明原理的具有周期性传送的电报46-51的传输周期40-43序列。数据网络中的用户、例如自动化系统中的自动化设备可以不必都高性能地与所有用户通信。为了不让最慢的用户来确定整个数据网络的效率，引入所谓的分频(Untersetzung)。分频定义为最小基本周期的系数。分频提供了这样的可能，即在用户很多时使通信关系合格(例如成为快速和慢速的通信关系)，并由此可以在用户很多时也能向所选择的通信伙伴发送较多的通信更新数据。在图3中用附图标记44表示时间箭头，用附图标记45分别表示传输周期40-43的边界。传输周期40-43中的每一个都具有1ms的周期持续时间，也就是说传输周期40-43按照基本时钟相互跟随。用1ms的基本时钟周期性地更新电报46-49。相反，电报50、51具有值为“2”的分频，也就是说具有最小基本时钟的2倍的分频。由此，这里在传输周期40和42中每2ms更新电报50、51。每个按照1ms的基本时钟的传输周期40-43表示一个时间段。根据所选择的分频，可以选择一个或多个时间段用于传送电报46-51。在图3的示例中，恰好有两个不同时间段可供选择。为了优化带宽的利用，将也称为帧的待发送电报46-51分配到各时间段上，也就是分配到传输周期40-43上。由此，用分频“2”周期性地传送电报50、51也可以在这里没有使用的时间段中被周期性传送，也就是在传输周期41、43中。由此，为了改善带宽利用，可以将现有的具有相同更新率(即相同分频)的多个电报类型分布到这些时间段上。
图4示出用于传送具有不同标识的电报87-100的传输周期81-85的序列。图中的时间箭头由附图标记80表示，传输周期81-95的边界用附图标记86表示。在将待发送电报分配到时间段中之后可以进行其它优化，如果另外预先给定了电报在一个时间段内的顺序。特别是，预先给定要分配相同分频的电报间的相互顺序。在这种情况下，具有较高更新率、即较小分频的电报相对于具有较大分频的电报处于优先地位，并由此先于后者传送。例如，一用户分别向5个其它用户周期性地发送电报87-100。传输周期81-85的基本时钟仍具有1ms的周期持续时间。对这5个传输段中的每一个来说传送电报87-100时的分频、时间段和顺序是确定的。对于在两个用户间传送电报87-91的传输段，确定分频为值“1”，时间段为值“1”，而顺序为值“1”。对于向另一个用户传送电报92-94的传输段，确定分频为值“2”，时间段为值“1”，而顺序为值“2”。对于向第三个用户传送电报95-96的传输段，同样确定分频为值“2”，但是时间段为值“2”，顺序为值“1”。为了向第四个用户传送电报97、98，确定分频为值“2”，时间段为值“2”，但顺序为值“2”。最后向第五个用户传送电报99、100。对于该传输段，选择分频为值“4”，时间段为值“1”，顺序为值“3”。分频也称为第一标识U，时间段称为第二标识Z。由此，为电报87-100分配一个第一标识U，也就是分频，其向各电报87-100分别指定了一组n个相互跟随的时间段或传输周期81-85以传送各电报87-100，其中该组周期性重复。此外，向各电报分别分配一个第二标识Z，即时间段，其向各电报87-100分别指定一个在一组n个时间段序列中的第m个时间段来传送各电报87-100，其中1≤m≤n。m和n是自然数。另外，在图4的实施例中，分别为电报87-100分配一个第三标识R，用于确定电报87-100在一个时间段内的传送顺序。在此，标识U、Z、R可以分配给电报87-100本身(图4中原理性示出电报87的例子)，例如作为电报内容的一部分，但也可以分配给数据网络中用户间的传输段。由此，通过具有相应标识U、Z、R的传输段传送的电报要根据这些标识U、Z、R来传送。在此描述的电报87-100的协调传送，也称为发送列表控制，使得电报87-100被同等地分布到各时间段或传输周期81-85上，由此也改善了对可用带宽的利用。
图5示出具有通信用户102、107-113的数据网络101。在此，用户102通过连接段103向其它用户107-113发送电报。在实施例中，连接段103构成为接通的网络。用1ms的基本时钟，也就是用值为“1”的分频向用户107和108传送电报，一起由附图标记104表示。由附图标记105表示的用户109和110分别在一个周期持续时间为2ms的周期内(即具有值为“2”的分频)获得来自发送用户102的电报。最后，用附图标记106表示的第三组用户111-113全部获得来自发送用户102的4ms电报，也就是说，为这些电报或到用户111-113的传输段分配了值为“4”的分频。
图6示意地示出在图5示出的用户102和107-113之间交换的电报119-135。各传输周期的边界由附图标记114表示。1ms的基本时钟115在分频选择为值“1”时产生n个相互跟随的时间段或传输周期的最小可能组，其延伸用附图标记116表示。在这种情况下n＝1。在分频选择为值“2”时产生另一组n个相互跟随的时间段，其延伸用附图标记117表示。在这种情况下n＝2。特征为分频值为“4”并由此具有n＝4个相互跟随的时间段的第三组，其延伸用附图标记118表示。通过为从用户102发送到用户107-113的电报119-135分配标识U、Z、R，对任意选择的通信时间段产生图6所示的电报119-135分布。电报119-123以1ms的周期向用户107传送。用相同的重复率、即也用值为“1”的分频，向用户108传送电报124-128，但是为这些电报124-128分配了一个第三标识R，在此其值为“2”。具有用户109和110的第二组105每2ms分别从发送用户102接收电报129-131以及132-133。最后，向具有用户111、112和113的第三组106每4ms发送电报134和135、136以及137。
由此，用户102分别向7个其它用户107-113周期性地发送电报。以下列发送列表的形式确定分频U、时间段Z和顺序R：
用户107：U＝1，Z＝1，R＝1
用户108：U＝1，Z＝1，R＝2
用户109：U＝2，Z＝1，R＝1
用户110：U＝2，Z＝2，R＝1
用户111：U＝4，Z＝1，R＝1
用户112：U＝4，Z＝2，R＝1
用户113：U＝4，Z＝3，R＝1
利用图5和图6的实施例也可以很好地看到，所提出的用于在数据网络中通信的方法使电报119-135产生很好的时间分布，并由此极好地利用了可用带宽。
总之，本发明涉及一种用于在数据网络101、尤其是开关以太网中进行通信的方法和系统，以及在这样一种数据网络101中的用户102。为了在数据网络101中减少传送电报119-135所需要的通信资源，建议，定义以基本时钟周期性重复的时间段，为电报119-135分别分配第一标识U，其向各电报119-135分别指定一组n个相互跟随的时间段以传送各电报119-135，其中该组周期性重复；向各电报分别分配一个第二标识Z，其向各电报119-135分别指定一个在一组n个时间段序列中的第m个时间段来传送各电报119-135，其中1≤m≤n，并且在各自指定的时间段内传送电报119-135。

Claims (7)

1.一种用于在开关以太网(101)中进行通信的方法，其中该方法包括：
●定义以基本时钟周期性重复的时间段，
●为各电报(119-135)分别分配一个第一标识(U)，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送该各电报，其中，该组周期性重复，
●为各电报(119-135)分别分配一个第二标识(Z)，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n，以及
●在各指定的时间段内传送电报。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述电报(119-135)分别分配一个第三标识(R)，该标识用于确定待传输的电报在一个时间段内的传送顺序。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一个时间段内设置用于传送实时数据的第一区域，和用于传送其它数据的第二区域。
4.一种用于在开关以太网(101)的用户(102)之间进行通信的系统，其中
●设置了用户(102)，用于在为各电报(119-135)指定的、以基本时钟周期性重复的时间段内传送该电报(119-135)，
●为各电报(119-135)分别分配一个第一标识(U)，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送该各电报，其中，该组周期性重复，
●为各电报(119-135)分别分配一个第二标识(Z)，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电报(119-135)分别具有一个第三标识(R)，该标识用于确定待传输的电报在一个时间段内的传送顺序。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，在一个时间段内设置用于传送实时数据的第一区域，和用于传送其它数据的第二区域。
7.一种开关以太网(101)中的用户终端(102)，该用户终端被设置来用于在为各电报(119-135)指定的、以基本时钟周期性重复的时间段内传送该电报(119-135)，其中，为各电报(119-135)分别分配一个第一标识(U)，该标识为各电报指定一组n个相互跟随的时间段以传送该各电报，其中，该组周期性重复；为各电报(119-135)分别分配一个第二标识(Z)，该标识为各电报指定在一组n个时间段序列内的第m个时间段以传送各电报，其中1≤m≤n。
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移动通信协议中无线资源管理的研究与实现. 侯远政.广西师范大学硕士学位论文. 2002
移动通信协议中无线资源管理的研究与实现. 侯远政.广西师范大学硕士学位论文. 2002 *

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