English

This work analyzes the adaption of a real-time communication network on the level of network components and on the protocol level. The adaptive network component is based on a reconfigurable Ethernet switch that adapts its resource utilization to the communication load and to the real-time requirements. By using a prototypical implementation of the reconfigurable switch, the data rates, the latency, and the jitter were evaluated for the different switch variants. The results prove better real-time requirements for the switch with higher resource utilization.

On the protocol level, a self-optimizing protocol was developed that requires neither previous planning of the communication nor clock synchronization to guarantee hard real-time requirements. This protocol allows an adaption of cycle time for each particular node during run-time. Based on the reconfigurable switch a mathematic model is introduced to analyze the real-time properties and the self-synchronization process of the real-time protocol. Further analyzes have been performed utilizing a computer based network simulation and a prototypical evaluation of the protocol. A comparison of the adaptive protocol and industrial real-time protocols results in a comparable performance and a lower jitter for the adaptive protocol, which is just for the adaptive protocol independent of the amount of network nodes.

Deutsch

In dieser Arbeit wurde die Adaption eines Echtzeitkommunikationsnetzes auf der Ebene der Netzwerkkomponente sowie auf der Protokollebene untersucht. Als adaptive Netzwerkkomponente wurde ein rekonfigurierbarer Ethernet-Switch entwickelt, der seinen Ressourcenbedarf an die Kommunikationslast und die Echtzeitanforderungen dynamisch anpasst. Mithilfe einer prototypischen Implementierung des rekonfigurierbaren Switches wurden Datenraten, Latenzzeiten und der Jitter bei unterschiedlichem Ressourcenbedarf evaluiert. Die Ergebnisse belegen bessere Echtzeiteigenschaften des Switches bei höherem Ressourcenbedarf.

Für die Adaption auf der Protokollebene wurde ein selbstsynchronisierendes Echtzeitprotokoll für eine virtuelle Ringtopologie entwickelt. Dieses Protokoll benötigt keine vorherige Planung der Kommunikation und keine Uhrensynchronisation um harte Echtzeitanforderungen zu garantieren. Eine Adaption erfolgt über eine Veränderung der Zykluszeiten im Betrieb. Auf der Basis des rekonfigurierbaren Ethernet-Switches wurden die Echtzeiteigenschaften und der Prozess der Selbstsynchronisation mithilfe eines mathematischen Modells und einer rechnergestützten Netzwerksimulation analysiert. Im Vergleich mit industriellen Echtzeitprotokollen erreicht das adaptive Echtzeitprotokoll eine vergleichbare Leistungsfähigkeit und den geringsten Jitter, der nur beim adaptiven Echtzeitprotokoll unabhängig von der Anzahl der Knoten ist.