DE60033289T2 - Lokales netz zur verteilten datenkommunikation von sensor- und steuersignalen - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der festverdrahteten Kommunikation und Steuernetzwerke und insbesondere lokale Netzwerke und Netzwerke, die zum Prüfen, zur Kommunikation und zur Steuerung verwendet werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Lokale Netzwerke (LAN: Local area network) zum Verteilen von Datenkommunikations-, Mess- bzw. Prüf- und Steuersignalen beruhen häufig auf einer "Bus"-Topologie, wie in 1 dargestellt ist. Ein solches Netzwerk 10 beruht auf gemeinsam verwendeten elektrisch leitenden Kommunikationsmedien 1, die gewöhnlich aus einem verdrillten Paar elektrischer Leiter oder einem Koaxialkabel bestehen. Netzwerk-Datenendgeräte-(DTE)-Einheiten 5, 6 und 7 sind über jeweilige Netzwerkadapter 2, 3 und 4 mit dem Kommunikationsmedium 1 verbunden. Die Netzwerkadapter 2, 3 und 4 wirken als Datenkommunikationsgeräte-(DCE)-Einheiten und sind in das Kommunikationsmedium 1 geschaltet, wodurch parallele elektrische Verbindungen gebildet sind, und sie vermitteln dadurch zwischen den DTE-Einheiten 5, 6 und 7 und dem Kommunikationsmedium 1. Solche Netzwerkadapter werden gemeinhin auch als "NIC" bezeichnet, wofür ein Beispiel die Netzwerkschnittstellenkarte IEEE 802 (Ethernet) ist. Eine solche Topologie wird üblicherweise zum Verbinden von Personalcomputern (PCs) in einem Netzwerk verwendet. Netzwerkadapter können allein stehende Einheiten sein, in die DTE-Einheit integriert sein oder innerhalb eines üblichen bzw. gemeinsamen Gehäuses untergebracht sein.
  • Steuernetzwerke, verbindende Sensoren, Betätigungselemente und DTEs verwenden gewöhnlich auch die gleiche Topologie, wie das in der Druckschrift US-A-4 918 690 (Markkula, Jr. u.a.) beschriebene Netzwerk, wie in 2 dargestellt ist. In einem Netzwerk 20 wirken die Netzwerkadapter 22, 23 und 24 als DCEs, sie werden jedoch üblicherweise als "Knoten" bezeichnet. Die Nutzlasten 25, 26 und 27 bestehen aus Sensoren, Betätigungselementen und DTEs.
  • Nachstehend wird der Begriff "Knoten" sowohl für Steuer- als auch für Datenkommunikationsanwendungen verwendet.
  • Eine Topologie (wie bspw. eine Bustopologie), bei deren Kommunikationsmedien für die physikalischen Schichten Mehrpunktverbindungen verwendet werden, ist für die Kommunikation nicht optimal und weist die folgenden Nachteile auf:
    • 1. Die maximale Länge des Kommunikationsmediums ist beschränkt.
    • 2. Die maximale Anzahl der mit dem Bus verbundenen Einheiten ist beschränkt.
    • 3. Komplexe Transceiver sind erforderlich, um Schnittstellen für das Kommunikationsmedium zu bilden.
    • 4. Die Datenrate ist beschränkt.
    • 5. Abschlüsse sind an den Enden des Kommunikationsmediums erforderlich, wodurch die Installation kompliziert gemacht wird.
    • 6. Zu jeder gegebenen Zeit kann nur eine einzige angeschlossene Einheit senden, und alle anderen empfangen.
    • 7. Im Fall eines Kurzschlusses in dem Bus fällt das gesamte Netzwerk aus. Das Lokalisieren des Fehlers ist sehr schwierig.
  • Trotz dieser Nachteile bietet die Bustopologie jedoch zwei einzigartige Vorteile:
    • 1. Falls die Anwendung eine "ausstrahlende" Datenverteilung erfordert, wobei von einem gegebenen Knoten erzeugte Daten an alle Knoten in dem Netzwerk (oder eine Mehrzahl von ihnen) verteilt werden müssen, ist der Netzwerkbetrieb sehr effizient. Dies liegt daran, dass nur ein einziger Netzwerkbetrieb erforderlich ist (d.h. es muss festgelegt werden, welcher Knoten der Sender ist). Die ausgestrahlten Daten werden von allen anderen Knoten in dem Netzwerk parallel und ohne Zusatzaufwand in dem Netzwerk empfangen.
    • 2. Die ausgestrahlte Nachricht wird von allen empfangenden Knoten in dem Netzwerk gleichzeitig empfangen. Dies ist bei Echtzeit-Steueranwendungen wichtig, beispielsweise wenn ein geordneter Betrieb der Einheiten aufrechterhalten werden muss.
  • Die vorstehend beschriebenen kommunikationsbezogenen Nach teile werden durch Netzwerke gelöst, die aus mehreren Verbindungsgliedern bestehen, wobei jede Instanz des Verbindungskommunikationsmediums nur zwei Einheiten in dem Netzwerk verbindet. Hierbei ist die physikalische Schicht in jedem Segment von anderen Verbindungen unabhängig und verwendet eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Daten und/oder Nachrichten werden unter Verwendung einer Datenverbindungsschicht-Steuerung behandelt und geroutet. Ein Beispiel eines solchen Systems für LAN-Zwecke ist der Token-Ring, der in der Norm IEEE 802 beschrieben ist. Ein Beispiel eines entsprechenden Steuernetzwerks ist in US-A-5 095 417 von Hagiwara u.a. beschrieben. Beide Netzwerke verwenden eine kreisförmige Topologie ("Ring-Topologie"), wie in 3 dargestellt ist. Ein Netzwerk 30 verbindet die Knoten (oder NICs) 32, 33 und 34 durch drei getrennte Kabel 31A, 31B und 31C, die jeweils ein Paar von Knoten verbinden und drei verschiedene Verbindungsglieder für die physikalischen Schichten bilden. Nutzlasten (oder DTEs) 35, 36 und 37 sind jeweils mit den geeigneten Knoten verbunden.
  • Sowohl das Hagiwara-Netzwerk als auch das Token-Ring-Netzwerk verwenden eine unidirektionale Kommunikation in jedem Verbindungsglied, und sie erfordern eine kreisförmige Topologie. Das in der Druckschrift US-A-5 841 360 des vorliegenden Erfinders beschriebene PSIC-Netzwerk stellt ein ähnliches Netzwerk dar, bei dem die Verwendung einer kreisförmigen Topologie optional ist und eine bidirektionale Kommunikation (entweder Halbduplexmodus oder Vollduplexmodus) in den Verbindungsgliedern verwendet wird.
  • Die vorstehend erwähnten Patente aus dem Stand der Technik und Netzwerke dienen nur als Beispiel. Bestimmte Anwendungen werden durch mehr als ein erteiltes Patent abgedeckt. Zusätzliche Erörterungen in bezug auf die vorstehend erwähnten Topologien können dem am 24. November 1998 erteilten US-Patent US-A-5 841 360 mit dem Titel "Distributed serial control system" und der am 28. Juli 1998 eingereichten anhängigen US-Patentanmeldung 09/123 486 entnommen werden, die beide auf den Namen des vorliegenden Erfinders angemeldet wurden.
  • Netzwerke, wie bspw. die in 3 und in der Druckschrift WO 96/37984 dargestellten, verwenden typisch einen "Speichern-und-Weiterleiten"-Mechanismus, wobei die an einem spezifischen Knoten empfangenen Daten zumindest an der Datenverbindungsschicht decodiert werden und dann recodiert und zu einem anderen Punkt in dem Netzwerk gesendet werden, wie von der Netzwerksteuerung festgelegt wird. Diese Verwendung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungsgliedern beseitigt die vorstehend angeführten in ausstrahlenden Netzwerken auftretenden Nachteile bei der Kommunikation, es mangelt dabei jedoch an den zwei einzigartigen Vorteilen der Ausstrahlungstechnologie, wie auch zuvor angeführt wurde. Weil die Daten nicht inhärent, ausschließlich auf der Grundlage von Punkt-zu-Punkt-Verbindungsgliedern, über ein Netzwerk verteilt werden, tritt in einem solchen Netzwerk eine starke Zusatzbelastung auf, wenn eine Ausstrahlung erforderlich ist, und es weist Verzögerungen bei der Weiterleitung von Nachrichten auf. Die Zusatzbelastungen und Verzögerungen ergeben sich daraus, dass es notwendig ist, Nachrichten an jedem Knoten zu decodieren und zu recodieren.
  • Die Druckschrift WO 96/37984 betrifft ausschließlich den Entscheidungsknoten eines spezifischen Netzwerktyps ("Daisy-chain-Bus") und beschreibt ein Verfahren und ein System zum Bestimmen, welcher Knoten während des anschließenden Betriebsmodus der sendende Knoten ist, womit sich die Druckschrift WO 96/37984 nicht selbst beschäftigt. Die Druckschrift WO 96/37984 richtet sich nicht auf die Betriebsphase und adressiert daher nicht die Notwendigkeit des Verringerns der Verzögerung der Ausstrahlungsfähigkeit während des anschließenden Betriebsmodus, wenn Daten gesendet werden.
  • Es besteht daher ein weithin anerkannter Bedarf an einem Mittel zum Implementieren eines Netzwerks, das verbesserte Kommunikationseigenschaften ermöglicht, während auch eine Ausstrahlungsdisziplin und eine schnelle Nachrichtenverteilung entlang dem Netzwerk unterstützt werden, und es wäre vorteilhaft, ein solches Netzwerk zu haben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein lokales Netzwerk bereitzustellen, bei dem mindestens einige der vorstehend beschriebenen Nachteile verringert oder beseitigt sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen: ein lokales Netzwerk (60) zum Übermitteln von Datenkommunikations-, Mess- bzw. Prüf- und Steuersignalen, wobei das lokale Netzwerk folgendes umfasst:
    mindestens drei Knoten (62, 63, 64, 65, 66), die durch mindestens zwei Verbindungsglieder (61a, 61b, 61c, 61d) mit verschiedenen physikalischen Schichten verbunden sind, um eine Bustopologie zu bilden, wobei:
    jedes der Verbindungsglieder mindestens zwei elektrische Leiter aufweist, die eine serielle Bitstromkommunikation im Halbduplexbetrieb gestatten,
    jedes der Verbindungsglieder zwei der Knoten in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration verbindet, wodurch der Datenstrom von einem als Ausgang konfigurierten Anschluss eines Knotens zu einem als Eingang konfigurierten Anschluss des verbundenen Knotens fließt,
    mindestens einer der Knoten mit einer Nutzlast verbunden ist und
    mindestens zwei der Knoten zwei Betriebsmodi aufweisen, die als ein Daten erzeugender Modus und ein Wiederholungsmodus auswählbar sind, wobei in dem Daten erzeugenden Modus alle Anschlüsse als Ausgangsanschlüsse konfiguriert sind und in dem Wiederholungsmodus ein Anschluss als Eingangsanschluss und alle anderen Anschlüsse als Ausgangsanschlüsse konfiguriert sind,
    wobei das lokale Netzwerk einen Zustand hat, der aus einer Gruppe von mindestens zwei verschiedenen Zuständen auswählbar ist, von denen jeder dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen einzelnen ausgewählten der Knoten in dem Daten erzeugenden Modus und mindestens einen der Knoten, der mit dem ausgewählten Knoten verbunden ist, in dem Wiederholungsmodus aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass:
    jedes der Verbindungsglieder zwei elektrische Leiter aufweist und
    die Knoten in dem Wiederholungsmodus so betreibbar sind, dass sie den seriellen Bitstrom direkt und transparent von einem als Eingang konfigurierten Anschluss an alle als Ausgang konfigurierten Anschlüsse wiederholen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Zum Verstehen der Erfindung und zum Begreifen, wie sie verwirklicht werden kann, werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen ausschließlich als ein nicht einschränkendes Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein LAN aus dem Stand der Technik für die Datenkommunikation, wobei eine Bustopologie verwendet wird,
  • 2 ein LAN aus dem Stand der Technik für die Steuerung, wobei eine Bustopologie verwendet wird,
  • 3 ein Netzwerk aus dem Stand der Technik für die Steuerung oder Datenkommunikation, wobei eine kreisförmige Topologie verwendet wird,
  • 4 ein allgemeines Blockdiagramm eines Knotens gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 5a, 5b, 5c und 5d verschiedene mögliche Zustände eines Knotens gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 6 einen Zustand eines Netzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 7 ein allgemeines Blockdiagramm eines Knotens gemäß der Erfindung, wobei auch Leistung durch das Netzwerk übertragen wird,
  • 8 einen Zustand eines Netzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Leistung durch das Netzwerk übertragen wird und eine kreisförmige Topologie verwendet wird,
  • 9a und 9b verschiedene mögliche Zustände eines Knotens in einem Netzwerk mit einer kreisförmigen Topologie gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 10 ein Blockdiagramm eines Knotens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
  • 11 ein Blockdiagramm eines Knotens gemäß der vorliegenden Erfindung, der drei Leitungskoppler unterstützt, und
  • 12 verschiedene mögliche Knotenzustände und die jeweiligen erforderlichen Schalterzustände für einen Knoten, wie in 10 dargestellt ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Grundgedanken und die Arbeitsweise eines Netzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung können anhand der Zeichnung und der anliegenden Beschreibung verstanden werden. Die Zeichnung und die Beschreibungen sind hier nur konzeptionell. In der Praxis kann eine einzige Schaltung eine oder mehrere Funktionen implementieren. Alternativ kann jede Funktion durch eine Mehrzahl von Komponenten und Schaltungen implementiert werden. In der Zeichnung und den Beschreibungen bezeichnen identische Bezugszahlen jene Komponenten, die verschiedenen Ausführungsformen oder Konfigurationen gemein sind.
  • 4 zeigt schematisch einen Knoten 40 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Knoten 40 enthält die folgenden Funktionsblöcke:
    • • Eine Stromversorgung 41, die von einer Stromquelle 52 gespeist wird, die ankommende Leistung in die Spannung oder die Spannungen umwandelt, die der Knoten und die Komponenten des Knotens benötigen. Zusätzlich kann die Stromversorgung 41 auch eine Nutzlast 49 zuführen, die mit dem Knoten 40 verbunden ist. Falls verwendet, wird diese Zuführfunktion durch eine Nutzlastschnittstelle 48 ausgeführt. (Aus Gründen der Klarheit sind in 4 die einzelnen Verbindungen fortgelassen, welche Leistung von der Stromversorgung 41 auf die leistungsverbrauchenden Blöcke des Knotens 40 verteilen.)
    • • Eine Nutzlastschnittstelle 48, die den Knoten 40 an eine spezifische Nutzlast 49 anpasst. Es können verschiedene Nutzlasttypen verwendet werden, wie Sensoren, Betätigungselemente und Dateneinheiten, welche entweder analog oder digital sind und entweder als Ausgang oder als Eingang funktionieren. Beispiele sind:
    • • Ein Analogsensor. Die Nutzlast besteht aus einem Analogsensor, der zum Messen physikalischer Phänomene verwendet wird. In den meisten Fällen enthält die Nutzlastschnittstelle einen A/D-Wandler.
    • • Ein Digitalsensor. Die Nutzlast ist ein Schalter, eine Taste usw.
    • • Ein analoges Betätigungselement. In den meisten Fällen enthält die Nutzlast einen D/A-Wandler, der die Parameter des analogen Betätigungselements steuert.
    • • Eine datenbezogene Einheit. Im Fall einer digitalen Kommunikation besteht die Nutzlast als einem DTE, und die Nutzlastschnittstelle enthält eine DTE-Schnittstelle.
    • • Nicht digitale Daten. Daten, wie Videodaten, Sprachdaten, Daten einer analogen Kommunikation oder ein anderer Datentyp. Falls analoge Daten in den Knoten eingegeben werden, ist es wahrscheinlich, dass die Nutzlastschnittstelle einen A/D-Wandler verwendet. Die vorstehenden Beispiele sollen die allgemeine Nutzlastdefinition in keiner Weise einschränken. Überdies können mehrere Vorrichtungen verschiedener Typen verwendet werden. In manchen Fällen kann die Nutzlast 49 Leistung vom Knoten 40 verwenden. Beispielsweise kann die Erregungsspannung für einen Analogsensor der Leistung des Knotens entnommen werden. Einige Knoten in dem Netzwerk sind möglicherweise nicht mit einer Nutzlast verbunden oder weisen gar keine Nutzlastschnittstelle auf. Auf diese Weise konfigurierte Knoten werden nur als Repeater verwendet, wie ein Knoten 90 in 8. Repeater-Knoten können beispielsweise verwendet werden, um die Entfernung zwischen Knoten über die reguläre Grenze hinaus zu vergrößern.
    • • Leitungskoppler 42 und 43, die den Knoten 40 mit bis zu zwei anderen Knoten über jeweilige Kommunikationsmedien 50 und 51 (auch als "Leitungen" bezeichnet) verbinden. Jedes Kommunikationsmedium unterstützt die Kommunikation zwischen zwei Knoten des Netzwerks. Nur aus Gründen der Klarheit sind die beiden Anschlüsse mit "Links"-LT und "Rechts"-RT bezeichnet. Die rechte Verbindung RT verwendet die Leitung 51 und verbindet über den RT-Leitungskoppler 43. Ähnlich verwendet die linke Verbindung LT die Leitung 50 und verbindet über den LT-Leitungskoppler 42. Weder der Leitungskoppler 42 noch der Leitungskoppler 43 beeinflusst das Kommunikationssignal. Leitungskoppler können Verbindungselemente, Schutzvorrichtungen, eine Isolation (beispielsweise einen Transformator) und andere benötigte Funktionen aufweisen, welche normalerweise nicht dem Kommunikationssignal selbst zugeordnet sind.
    • • Ein Sender 45, der die zu sendenden Daten, abgesehen von den Funktionen der physikalischen Schicht, behandelt (nach dem OSI-Verbindungsmodell). Dieser Block kann in Hardware (beispielsweise CRC-Erzeugungsschaltung), durch Software oder sowohl durch Hardware als auch durch Software implementiert werden.
    • • Ein Empfänger 46, der die empfangenen Daten, abgesehen von den Funktionen der physikalischen Schicht (nach dem OSI-Verbindungsmodell), behandelt. Dieser Block kann in Hardware (beispielsweise CRC-Fehlererkennungsschaltung), durch Software oder sowohl durch Hardware als auch durch Software implementiert werden.
    • • Eine Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47, die den Knoten 40 und den Netzwerkbetrieb steuert und überwacht. Dieser Block verbindet mit den gesteuerten Blöcken im Knoten 40 (aus Gründen der Klarheit sind in 4 einige Leitungen fortgelassen). Zusätzlich kann die Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47 Daten in dem Netzwerk verarbeiten und auch die Nutzlast über die Nutzlastschnittstelle 48 behandeln. Die Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47 ist weiterhin für das Versetzen eines Repeaters/Routers 44 von einem Zustand in einen anderen verantwortlich, wie nachstehend detailliert beschrieben wird.
    • • Der Repeater/Router 44 behandelt die Eigenschaften der physikalischen Schicht des Kommunikationssignals. Der Repeater/Router kann sich in verschiedenen Zuständen, einschließlich eines ausschließlich empfangenden Zustands und eines ausschließlich sendenden Zustands, befinden. Das Signal wird codiert und decodiert und entsprechend den Steuersignalen von der Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47 geroutet. Es folgt eine detaillierte Erklärung des Repeaters/Routers 44.
  • Ein Knoten kann allein stehend oder in die Nutzlast integriert sein. Beispielsweise kann der Knoten im Fall eines Personalcomputers als eine Zusatzkarte in das Gehäuse des Computers aufgenommen werden.
  • 5a und 5b beschreiben die verschiedenen Funktionen des Repeaters/Routers durch die möglichen Zustände eines Repeaters/Routers während des Normalbetriebs. Wie in 5a dargestellt ist, enthält der Repeater/Router 44 zwei in Reihe geschaltete Einheiten. Ein Leitungsempfänger 44b decodiert das Kommunikationssignal in der Leitung zu einem Digitalsignal, das dem Empfänger 46 zugeführt wird, um die Datenverbindungs- und die höhere OSI-Schicht zu analysieren. Das Digitalsignal wird dann einem Leitungstreiber 44a zugeführt, der das Kommunikationssignal wieder codiert. Das aus dem Leitungsempfänger 44b und dem Leitungstreiber 44a bestehende Paar bildet auf diese Weise einen Kommunikationssignal-Repeater, der ein transparentes Routen des Kommunikationssignals von "links" nach "rechts" ausführt. Die Verzögerung zwischen der Eingabe und der Ausgabe ist vernachlässigbar und liegt in der Größenordnung von Nanosekunden oder Mikrosekunden.
  • Ähnlich ermöglicht 5b ein Routen von "rechts" nach "links". Die Richtung des Repeaters/Routers 44 wird durch die Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47 über Steuersignale (in 5 aus Gründen der Klarheit fortgelassen) gesteuert.
  • Während die 5a und 5b einen Knoten beschreiben, der keine Daten erzeugt (sondern die Daten im Netzwerk nur empfängt und überträgt), zeigen die 5c und 5d Knoten im sendenden Zustand. In beiden Fällen sendet der Knoten Daten über den jeweiligen Leitungskoppler sowohl zu den rechten als auch zu den linken Verbindungen. In 5c werden zwei Leitungstreiber 44a, nämlich einer für jede Richtung, verwendet. In 5d wird ein einziger Leitungstreiber 44a verwendet, der beide Richtungen von einer einzigen Einheit treibt. Beide Ausführungsformen können austauschend verwendet werden. In den meisten Fällen sind die Eigenschaften des Leitungstreibers und des Leitungskopplers die Grundlage für das Auswählen einer Konfiguration als Präferenz über die andere. Falls der Leitungstreiber beispielsweise in der Lage ist, nur eine einzige Leitung zu treiben, sollte die Konfiguration aus 5c verwendet werden.
  • 6 zeigt ein Netzwerk 60 gemäß der vorliegenden Erfindung. Elektrisch leitende Kommunikationsmedien von Leitungen 61a, 61b, 61c und 61d werden zum Verbinden der Knoten verwendet. Mindestens zwei Leiter werden in den Kommunikationsmedien verwendet. Beispielsweise können Koaxialkabel oder verdrillte Kupferpaare verwendet werden. Nur als Gründen der Klarheit zeigen die hier angegebenen Figuren die Verwendung eines einzigen verdrillten Paars in nicht einschränkenden Beispielen.
  • Die Knoten 62, 63, 64, 65 und 66 beruhen alle auf dem zuvor beschriebenen Knoten 40. Die Knoten 62, 65 und 66 befinden sich im "Von-rechts-nach-links"-Zustand, wie in 5b dargestellt ist, während sich der Knoten 64 im "Von-links-nach-rechts"-Zustand befindet, wie in 5a dargestellt ist. Der Knoten 63 ist der Datenerzeugungsknoten wie in 5c und 5d. Das Netzwerk in 6 zeigt einen möglichen Netzwerkzustand, wobei der Knoten 63 der Daten erzeugende Knoten ist, während alle anderen Knoten als Empfänger und Repeater dienen, welche die Daten empfangen und die Daten zum nachfolgenden Knoten wieder aussenden. Zum Unterstützen einer dynamischen Rekonfiguration können Knoten gleichzeitig mehr als einen Betriebsmodus aufweisen. Ein Knoten kann in nicht einschränkender weise aufweisen:
    • • einen Daten erzeugenden Betriebsmodus, wobei ein Knoten als eine Datenquelle wirkt und die Daten zu anderen Knoten sendet,
    • • einen empfangenden Betriebsmodus, wobei der Knoten Daten von einem anderen Knoten empfängt, und
    • • einen wiederholenden Betriebsmodus, wobei der Knoten als ein Repeater bzw. Wiederholer von einem gegebenen Knoten empfangener Daten wirkt, indem er diese Daten zu einem anderen gegebenen Knoten wieder aussendet.
  • Während das Netzwerk funktioniert, ist der aktuelle Betriebsmodus eines Knotens aus den verfügbaren Betriebsmodi auswählbar. Einige Betriebsmodi können einander ausschließen, während andere gleichzeitig ausgewählt werden können. Beispielsweise schließt der Daten erzeugende Betriebsmodus den wiederholenden Betriebsmodus aus, während der empfangende Betriebsmodus gleichzeitig mit dem wiederholenden Betriebsmodus ausgewählt werden kann.
  • Bei den meisten Anwendungen kann mehr als ein Knoten zu verschiedenen Zeiten als ein Daten erzeugender Knoten dienen. In einem solchen Fall werden die Netzwerkzustände als Funktion der Zeit entsprechend einer vorgegebenen Logik und Steuerung geändert, um jedem Daten erzeugenden Knoten eine Gelegenheit zum Senden zu geben. Es kann jedoch zu einem Zeitpunkt nicht mehr als ein Knoten als Daten erzeugender Knoten dienen. Während ein Knoten als ein Daten erzeugender Knoten dient, werden alle anderen Knotenzustände dementsprechend als Repeater und/oder Empfänger festgelegt, um eine Datenverteilung entlang dem Netzwerk zu ermöglichen. Knoten, die sich "links" des Daten erzeugenden Knotens befinden, befinden sich in einem "Von-rechts-nach-links"-Zustand, während sich Knoten, die sich "rechts" des Daten erzeugenden Knotens befinden, in einem "Von-links-nach-rechts"-Zustand befinden.
  • Es sollte klar sein, dass, wenngleich die Knoten an den Netzwerkenden, d.h. der "am weitesten links gelegene" Knoten 62 und der "am weitesten rechts gelegene" Knoten 64, die gleiche Struktur verwenden könnten, wie in 4 dargestellt ist (und in der gleichen weise wie alle anderen Knoten in dem Netzwerk implementiert werden können), die Endknoten nur eine einzige Leitungsverbindung verwenden. Demgemäß können diese Endknoten unter Verwendung eines einzigen Leitungskopplers und eines einzigen Leitungstreibers implementiert werden.
  • Es sollte auch klar sein, dass ein oder mehrere der Knoten in dem Netzwerk nicht mit einer Nutzlast verbunden zu sein brauchen, wie für den Knoten 65 in 6 dargestellt ist. Dies kann der Fall sein, wenn die Dämpfung auf der Leitung zu hoch ist (beispielsweise eine Leitung zu lang ist) und ein Knoten hauptsächlich als ein Repeater dient. In diesem Fall wäre die Nutzlastschnittstelle 48 nicht erforderlich.
  • Energieversorgung des Netzwerks
  • 6 zeigt ein Netzwerk, bei dem jeder Knoten durch eine lokale Stromquelle 52, die elektrische Leistung zum Betreiben der Komponenten des Netzwerks liefert, lokal mit Leistung versorgt wird. Alternativ können die Kommunikationsmedien des Netzwerks für eine Leistungsverteilung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Leistung über zweckgebundene Leitungen, beispielsweise durch die Verwendung zweier zusätzlicher Drähte innerhalb desselben Kabels, verteilt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können dieselben Drähte sowohl für die Datenkommunikation als auch für die Leistungsverteilung verwendet werden. Die letztgenannte Konfiguration ist in der Druckschrift WO 00/13070, veröffentlicht am 9. März 2000, auf den vorliegenden Anmelder übertragen, beschrieben und auf das hier erörterte Netzwerk anwendbar. 8 zeigt ein solches Netzwerk, welches es ermöglicht, dass eine einzige Stromversorgung für die Versorgung des gesamten Netzwerks verwendet wird.
  • Wenn dieselben Drähte sowohl für die Kommunikation als auch für die Leistungsversorgung verwendet werden, sollte der Knoten 40 so modifiziert werden, dass er einen Kombinierer/Teiler 71 für Leistung/Daten aufweist, wie in 7 dargestellt ist. Es ist ein Knoten 70 dargestellt, der zwei mit Leitungskopplern 42 und 43 verbundene Kombinierer/Teiler für Leistung/Daten aufweist. Ein Knoten, wie bspw. der Knoten 70, kann Leistung entweder von der linken oder der rechten Seite oder von beiden Seiten empfangen und die Leistung zur nicht versorgten Seite übertragen. Weil die Versorgung über das Netzwerk erfolgt, wird bei einer solchen Konfiguration gewöhnlich keine Stromquellen-Schnittstelle unterstützt. Die das Netzwerk versorgende Stromquelle kann über zweckgebundene Koppler oder über einen oder mehrere der Knoten, die modifiziert sind, um diese Fähigkeit zu unterstützen, damit verbunden werden.
  • Kreisförmige Topologie
  • Wenngleich in der vorstehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung auf eine lineare Topologie angewendet ist, kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung einer kreisförmigen Topologie für "Ring"-Netzwerke implementiert werden. Bei einer Ausführungsform sind beide Enden des Netzwerks mit einem Knoten verbunden, der konfiguriert ist, um von beiden Seiten zu empfangen und daher zwei Empfänger aufweist. 8 zeigt jedoch eine bevorzugte Ausführungsform eines Netzwerks 80. In dem Netzwerk 80 sind alle Knoten mit Ausnahme des Daten erzeugenden Knotens in dem transparenten Repeater-Zustand, entweder gleichmäßig "von-rechts-nach-links" oder gleichmäßig "von-links-nach-rechts", konfiguriert. Ein Knoten 90 in dem Daten erzeugenden Zustand ist, wie in den 9a und 9b dargestellt, modifiziert. Der Knoten 90 kann zu einer Seite senden und von der anderen Seite empfangen. In 9a kann der Knoten 90 zur linken Seite senden und von der rechten Seite empfangen. Ähnlich kann der Knoten 90 in 9b zur rechten Seite senden und von der linken Seite empfangen. Beide Zustände können bei einer kreisförmigen Topologie verwendet werden. In 8 befindet sich der Knoten 90 in dem in 9a dargestellten Zustand. Alternativ kann sich der Knoten 90 in dem in 9b dargestellten Zustand befinden. Alle anderen Knoten aus 8 sind in der "Von-rechts-nach-links"-Richtung konfiguriert. In beiden Fällen sendet der Daten erzeugende Knoten zu einer Seite und empfängt von der anderen. Die Empfangsfunktionalität des Knotens 90 kann zum Überwachen des Netzwerks verwendet werden, um zu gewährleisten, dass der Datenweg verfügbar und fehlerfrei ist. Diese Empfängerfunktionalität ist jedoch nur eine Option und braucht nicht implementiert zu werden.
  • Aus Gründen der Kompaktheit zeigt 8 sowohl die Leistungszufuhr über das Netzwerk als auch die kreisförmige Topologie zusammen, diese Merkmale sind jedoch voneinander unabhängig und können getrennt implementiert werden.
  • Netzwerksteuerung
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, schaltet der Betrieb des Netzwerks (entweder Bustopologie oder kreisförmige Topologie) von einem Zustand zu einem anderen. Jeder Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen spezifischen Knoten aufweist, der zu einer Zeit als ein Daten erzeugender Knoten wirkt, während alle anderen Knoten als Repeater und Empfänger dienen, welche die von dem Daten erzeugenden Knoten kommenden Daten routen. Daher ist eine Netzwerksteuereinrichtung erforderlich, um zu bestimmen, welcher Knoten in dem Netzwerk der Daten erzeugende Knoten ist.
  • Verschiedene Techniken können zum Implementieren einer solchen Netzwerksteuereinrichtung verwendet werden. Die Netzwerksteuereinrichtung kann Knoten durch ein Token, das von Knoten zu Knoten übertragen wird (ähnlich demjenigen des Token-Ring-Netzwerks) sequenziell auswählen. Die Netzwerksteuereinrichtung kann sich bei Verwendung zweckgebundener Kommunikationsmedien außerhalb des Netzwerks befinden. Vorzugsweise ist die Netzwerksteuereinrichtung eingebettet und verwaltet die Netzwerkzustände über durch das Netzwerk selbst transportierte Signale. In den meisten Fällen sollte jedem Knoten eine Adresse zugeordnet sein, wodurch das Routen von Daten in dem Netzwerk von einem beliebigen Knoten zu einem beliebigen Knoten ermöglicht wird.
  • Ein anderes beliebtes Verfahren der Netzwerkdisziplin ist der "Master/Slave"-Betrieb. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird einer der Knoten als der Master-Knoten festgelegt. Im Anfangszustand dient dieser Knoten als der Daten erzeugende Knoten, und während er sich in diesem Zustand befindet, weist er andere Knoten an, zu senden. Während des folgenden Zustands dient der ausgewählte Knoten als der Daten erzeugende Knoten. Diese Zweizustandssequenz wird wiederholt, wobei entsprechend einer vorbestimmten Logik oder unter einer externen Steuerung in jedem folgenden Zyklus ein anderer Knoten als der Daten erzeugende Knoten ausgewählt wird.
  • Netzwerk mit zwei Disziplinen
  • Das in der Druckschrift US-A-5 841 360 vom vorliegenden Erfinder dargelegte Netzwerk, das hier als das "PSIC-Netzwerk" bezeichnet wird, verwendet mehrere Verbindungsglieder, die voneinander unabhängig sind. Ein solches Netzwerk unterstützt mehrere Merkmale, die in zuvor beschriebenen Netzwerken nicht verfügbar sind, wie eine automatische Adressierung, eine Fehlerlokalisierung und eine Redundanz der kreisförmigen Topologie im Fall eines einzigen Fehlers.
  • Zum Ausnutzen der Vorteile dieser beiden Netzwerktypen ist es möglich, ein Netzwerk zu konstruieren, das beide Disziplinen unterstützt und so gesteuert werden kann, dass es sich entweder in einer Disziplin oder in der anderen befindet. Beispielsweise kann das Netzwerk als ein PSIC-Netzwerk beginnen. Während dieser Einleitungsperiode werden eine automatische Adressierung und Fehlerlokalisierung ausgeführt. Daher kann sich das Netzwerk selbst konfigurieren, entsprechend dieser Anwendung zu arbeiten, oder es kann eine zeitliche Einteilung verwenden und alternierend zwischen beiden Konfigurationen schalten.
  • 10 zeigt eine schematische Ansicht eines Knotens 100, der beide Rollen erfüllen kann. Der Zustand des Knotens 100 wird durch die Schalter 101, 104, 102 und 103 bestimmt, die als SW1, SW2, SW3 bzw. SW4 bezeichnet sind. Diese Schalter werden durch eine Steuer-, Logik- und Verarbeitungseinheit 47 gesteuert. Der Knoten 100 verwendet Sender 45a und 45b sowie Empfänger 46a und 46b. Der Leitungstreiber 44a bedient den rechten Anschluss, während der Leitungstreiber 44a1 den linken Anschluss bedient. Ähnlich sind die Leitungsempfänger 44b und 44b1 mit der rechten Schnittstelle bzw. der linken Schnittstelle verbunden.
  • In 12 sind die verschiedenen möglichen Knotenzustände für den Knoten 100 aufgelistet (10). Die Zustände in 12 sind in einer Knotenzustandsspalte dargestellt, und die Schaltereinstellungen sind in den Spalten SW1, SW2, SW3 und SW4 dargestellt. In einem "Von-rechts-nach-links"-Zustand werden an dem rechten Anschluss empfangene Daten vom Leitungsempfänger 44b behandelt und dem Leitungsempfänger 46b zugeführt. Gleichzeitig werden die empfangenen Daten dem Leitungstreiber 44a1 zugeführt, der zur linken Seite sendet. Demgemäß wird die in 5b dargestellte Funktionalität erhalten. In ähnlicher Weise wird der "Von-links-nach-rechts"-Zustand implementiert, um eine in 5a dargestellte Funktionalität zu erreichen.
  • Im letztgenannten Fall ist der Leitungsempfänger 46a der aktive.
  • In dem "Senden-zu-beiden-Seiten"-Zustand sendet der Sender 45a unter Verwendung der Leitungstreiber 44a und 44a1, welche die in 5c dargestellte Funktionalität implementieren, zu beiden Anschlüssen. In dem "Empfangen-von-beiden-Seiten"-Zustand ist jeder Empfänger mit einem einzigen Leitungskoppler verbunden, und es ist kein Leitungstreiber aktiviert. Es wird erwartet, dass es sich hierbei um den Zustand handelt, in dem das Netzwerk im Ruhezustand ist, oder es wird erwartet, dass es sich hierbei um einen Zwischenzustand während des Schaltens zwischen Zuständen handelt, um durch zwei oder mehr Sender, die über die gleiche Verbindung aktiv sind, hervorgerufene Datenkollisionen zu vermeiden.
  • Der "Senden-nach-rechts-und-Empfangen-von-links"-Zustand spiegelt den in 9a dargestellten Zustand wider. Ähnlich spiegelt der "Senden-nach-links-und-Empfangen-von-rechts"-Zustand die in 9a dargestellte Funktionalität wider.
  • In dem "Senden/Empfangen-zu-bzw.-von-beiden-Seiten"-Zustand kann der Knoten von beiden Schnittstellen gleichzeitig empfangen bzw. zu beiden Schnittstellen gleichzeitig senden, wodurch die volle PSIC-Netzwerkfunktionalität implementiert wird.
  • Knoten mit mehr als zwei Leitungsverbindungen
  • Während die vorstehende Erörterung einen Knoten mit zwei Leitungskopplern beschrieben hat (die im Fall einer Endeinheit in einem Netzwerk, das eine "Bus"-Topologie verwendet, zu einer einzigen Schnittstelle reduziert werden können), ist es offensichtlich, dass auch drei oder mehr solche Schnittstellen verwendet werden könnten. In diesem Fall muss mindestens ein zusätzlicher Repeater/Router für jede zusätzliche Schnittstelle hinzugefügt werden. Beispielsweise zeigt 11 einen Knoten 110 mit drei Schnittstellen, wobei eine zusätzliche Schnittstelle als "aufwärts" bezeichnet ist, und er verwendet einen Leitungskoppler 112 zur Verbindung mit einer Leitung 111. Zum Unterstützen der Verbindungen zwischen allen drei Anschlüssen werden drei Repeater/Router-Einheiten 44 verwendet, die jeweils wie zuvor beschrieben aufgebaut sind und für das Verbinden mit zwei Anschlüssen geeignet sind. Bei manchen Anwendungen, bei denen die Verbindbarkeitsanforderungen verringert werden können, können beliebige zwei der drei Anschlüsse verwendet werden.
  • Ähnlich können zusätzliche Schnittstellen verwendet werden. Überdies kann ein Netzwerk Knoten verschiedener Schnittstellenkapazitäten verwenden, die frei verbunden werden können, um ein Netzwerk mit einer beliebigen Topologie aufzubauen. In allen Fällen muss die Grundregel beachtet werden, dass jedes Verbindungsglied nur zwei Knoten verbindet. Überdies muss die in die Knoten eingebettete Netzwerklogik gewährleisten, dass nicht mehr als ein einziger Knoten Daten erzeugt, während alle anderen sich, von dem Daten erzeugenden Knoten angeleitet, in dem transparenten Repeater/Router-Zustand befinden müssen.
  • Implementation
  • Die Implementation von jedem der vorstehend beschriebenen Schemata ist Fachleuten offensichtlich. Bei einer Ausführungsform wird RS-485 (EIA-485) für die physikalische Schicht verwendet. In einem solchen Fall werden der Leitungstreiber 44a und der Leitungsempfänger 44b direkt unter Verwendung eines üblichen RS-485-Leitungstreibers oder -Leitungsempfängers implementiert. Ähnlich können die in 10 dargestellten Schalter unter Verwendung manuell aktivierter Schalter, Relais, Analogschalter oder digitaler Schalter/Multiplexer implementiert werden. Außer im Fall manueller Schalter wird das Schalten elektronisch gesteuert.
  • Repeater und Regeneratoren sind sowohl in WAN(Weitbereichsnetzwerk)- als auch in LAN-(lokales Netzwerk)-Systemen aus dem Stand der Technik, hauptsächlich für den Zweck des Ermöglichens des Betriebs über lange Verbindungen, bekannt. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede zwischen diesen Netzwerken und der vorliegenden Erfindung. Erstens verwenden die meisten Repeater aus dem Stand der Technik einen einzigen Eingang und einen einzigen Ausgang. Die vorliegende Erfindung ermöglicht mehrere Anschlüsse. Zweitens sind Repeater aus dem Stand der Technik unidirektional, während die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezifische Richtung des Datenflusses beschränkt ist. Zusätzlich erfordert die vorliegende Erfindung einen Steuermechanismus (eine Netzwerksteuereinrichtung) zum Bestimmen der Datenflussrichtung, während Systeme aus dem Stand der Technik, weil sie unidirektional sind, eine solche Steuerung nicht benötigen. Bei den meisten Netzwerken aus dem Stand der Technik können Einheiten in dem Netzwerk klar entweder als Nutzlastzugeordnete Einheiten oder als zweckgebundene Repeater definiert werden. Diese Unterscheidung ist nicht gültig, wenn ein Netzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert wird, weil jede Nutzlast-zugeordnete Einheit in dem Netzwerk auch die Repeater-Funktionalität aufweist.
  • Wenngleich ein Netzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn es in einer kreisförmigen Topologie konfiguriert ist, oberflächlich einem Token-Ring-Netzwerk ähnlich sein kann, gibt es wesentliche Unterschiede zwischen ihnen. In einem Token-Ring-Netzwerk gibt es eine einzige konstante Richtung des Datenflusses. Die vorliegende Erfindung schreibt eine einzige Richtung des Datenflusses nicht vor, sondern der Fluss kann sich als Teil des Netzwerkbetriebs ändern. Zusätzlich wird die Daten erzeugende Einheit bei Token-Ring-Netzwerken entsprechend der Netzwerktopologie sequenziell zugeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung braucht der Daten erzeugende Knoten nicht nach einer spezifischen Regel gewählt zu werden, wenngleich eine sequenzielle Auswahl des Daten erzeugenden Knotens möglich ist.
  • Wenngleich die Erfindung in bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass viele Variationen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims (8)

  1. Lokales Netzwerk (60) zum Übermitteln von Datenkommunikations-, Prüf- und Steuersignalen, wobei das lokale Netzwerk folgendes umfasst: mindestens drei Knoten (62, 63, 64, 65, 66), die durch mindestens zwei Verbindungsglieder (61a, 61b, 61c, 61d) mit verschiedenen physikalischen Schichten verbunden sind, um eine Bustopologie zu bilden, in der: jedes der Verbindungsglieder mindestens zwei elektrische Leiter aufweist, die eine serielle Bitstromkommunikation im Halbduplexbetrieb gestatten, jedes der Verbindungsglieder zwei der Knoten in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration verbindet, wodurch der Datenstrom von einem als Ausgang konfigurierten Anschluss eines Knoten zu einem als Eingang konfigurierten Anschluss des verbundenen Knotens fließt, mindestens einer der Knoten mit einer Nutzlast (49) verbunden ist und mindestens zwei der Knoten zwei Betriebsmodi aufweisen, die als ein datenerzeugender Modus und ein Wiederholungsmodus auswählbar sind, wobei in dem datenerzeugenden Modus alle Anschlüsse als Ausgangsanschlüsse konfiguriert sind und in dem Wiederholungsmodus ein Anschluss als Eingangsanschluss und alle anderen Anschlüsse als Ausgangsanschlüsse konfiguriert sind, wobei das lokale Netzwerk einen Zustand hat, der aus einer Gruppe von mindestens zwei verschiedenen Zuständen auswählbar ist, von denen jeder dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen einzelnen ausgewählten der Knoten in dem datenerzeugenden Modus und mindestens einen der Knoten, der mit dem ausgewählten verbunden ist, in dem Wiederholungsmodus aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: jedes der Verbindungsglieder zwei elektrische Leiter umfasst und die Knoten in dem Wiederholungsmodus so betreibbar sind, dass sie den seriellen Bitstrom direkt und transparent von einem als Eingang konfigurierten Anschluss an alle als Ausgang konfigurierten Anschlüsse wiederholen.
  2. Lokales Netzwerk nach Anspruch 1, das des weiteren mindestens eine Quelle elektrischen Stroms (52) umfasst, der über die Verbindungsglieder verteilt wird.
  3. Lokales Netzwerk nach Anspruch 2, bei dem die elektrischen Leiter so betreibbar sind, dass sie sowohl den elektrischen Strom als auch die Datenkommunikations-, Prüf- und Steuersignale verteilen.
  4. Lokales Netzwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, das des weiteren eine Netzwerksteuerungsfunktionalität zum Auswählen der Betriebsmodi der Knoten umfasst.
  5. Lokales Netzwerk nach Anspruch 4, bei dem die Netzwerksteuerung so betreibbar ist, dass sie Betriebsmodi der Knoten über Signale auswählt, die über das lokale Netzwerk transportiert werden.
  6. Lokales Netzwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Knoten in dem datenerzeugenden Betriebsmodus sequentiell ausgewählt wird.
  7. Lokales Netzwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens einer der Verbindungsglieder so betreibbar ist, dass er in einem Vollduplexbetrieb kommuniziert.
  8. Lokales Netzwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, in dem jeder der Knoten in dem Wiederholungsbetriebsmodus einen Wiederholer bzw. Repeater/Router (44) aufweist, der folgendes umfasst: einen Zeilen- bzw. Leitungsempfänger bzw. Line-Receiver (44b), der das Kommunikationssignal in der Zeile bzw. Leitung in ein digitales Signal dekodiert, einen Empfänger (46) zum Empfangen des Kommunikationssignals und einen Zeilentreiber bzw. Leitungstreiber (44a) zum Empfangen und Neukodieren des Kommunikationssignals, wodurch der Leitungsempfänger (44b) und der Leitungstreiber einen Kommunikationssignalwiederholer bzw. Kommunikationssignal-Repeater bilden, der ein transparentes Routing des Kommunikationssignals zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Knotens bewirkt.
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