AT414067B

AT414067B - Verfahren zum betrieb von cn/ip-knoten hinter nat-routern

Info

Publication number: AT414067B
Application number: AT0180602A
Authority: AT
Inventors: Dietmar Dipl Ing Dr Loy; Stefan Dipl Ing Dr Soucek; Thomas Dipl Ing Rauscher
Original assignee: Loytec Electronics Gmbh
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2006-08-15
Also published as: ATA18062002A

Description

2

AT 414 067 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Datenpaketen zwischen Quell- und Zielknoten in Control-Netzwerken, bei dem die Datenpakete über einen Internet-Kanal, der durch einen Configuration Server mit einheitlicher Adresse durch festgelegte Strukturen und Tabellen gemäß dem EIA-852 Standard konfiguriert ist, zwischen Configuration Clients mit 5 einheitlichen Adressen getunnelt werden, wobei das Verfahren jenen Datenaustausch über Network-Address-Translation Router hinweg von privaten in öffentliche Netze mit privaten und öffentlichen Adressen erweitert.

Werden in einem Control-Netzwerk für die Automatisierungstechnik nach dem ANSI/EIA-709 io bzw. prENV13154-2 (LonTalk Protokoll) Standard verschiedene Netzwerkknoten über einen IP (Internet Protokoll) Kanal miteinander verbunden, so wird die Kommunikation des Control-Netzwerk zwischen einzelnen Configuration Clients auf dem IP-Kanal getunnelt. Dabei empfängt ein Configuration Client Datenpakete aus dem Control-Netzwerk, packt sie in IP-Pakete ein und schickt sie an einen oder mehrere andere Configuration Clients. Diese packen die 15 ursprünglichen Pakete aus den IP-Paketen aus und leiten sie an das Control-Netzwerk weiter. Die einzelnen Configuration Clients werden hierbei von einem Configuration-Server verwaltet. Die Kommunikations- und Managementfunktionen für ein solches System sind im ANSI/EIA-852 Standard festgelegt, der insbesondere definiert, wie die ANSI/EIA-709 Datenpakete transparent durch den IP Kanal getunnelt werden. Die Konfiguration und Kommunikation, die ANSI/EIA-852 20 definiert, ist allerdings nur für IP-Netzwerke mit einfachem Adressraum definiert (Intranet). Ein gebräuchlicher Weg, um Intranets mit dem Internet zu verbinden, ist der Einsatz von Network-Address-Translation (NAT) Routern. Diese weisen einem Gerät sowohl eine öffentliche als auch eine private IP-Adresse zu. Als private IP-Adresse versteht man eine IP-Adresse, die nicht einheitlich ist und somit nicht im Internet geroutet wird, während eine öffentliche IP-Adresse im 25 gesamten Netzwerk einheitlich ist und im Internet geroutet wird. Sollen nun die Configuration Clients nicht nur in einem Intranet miteinander verbunden sein, sondern soll die Kommunikation auch über das Internet ausgeweitet werden, so kann dies durch den Einsatz von NAT-Routern erfolgen. Hierbei ergeben sich folgende Szenarien: 30 1) Alle Configuration Clients und der Configuration Server sind direkt an das Internet ange schlossen und haben eine öffentliche IP-Adresse. 2) Alle Configuration Clients sind direkt an das Internet angeschlossen und haben eine öffentliche IP-Adresse, jedoch der Configuration Server Knoten befindet sich hinter einem NAT-Router und hat eine private IP-Adresse. 35 3) Einige Configuration Clients sind direkt an das Internet angeschlossen und haben eine öffentliche IP-Adresse und einige Configuration Clients befinden sich hinter einem NAT-Router und habe eine private IP-Adresse, jedoch der Configuration Server ist direkt an das Internet angeschlossen und hat ein öffentliche IP-Adresse. 4) Einige Configuration Clients sind direkt an das Internet angeschlossen und haben eine 40 öffentliche IP-Adresse und einige Configuration Clients befinden sich hinter einem NAT-

Router und habe eine private IP-Adresse, jedoch der Configuration Server befindet sich hinter einem NAT-Router und hat eine private IP-Adresse.

Um diese vier möglichen Netzwerkkonfigurationen abzudecken, müssten die Configuration 45 Clients und der Configuration-Server erweiterte Adresstabelleneinträge aufweisen, die sowohl die private als auch die öffentliche IP-Adresse verwalten und entsprechende Verknüpfungen zwischen privater und öffentlicher IP-Adresse auflösen können. Werden bei anderen Ansätzen, Protokolle über NAT-Router zu erweitern, etwa Protokollumsetzungen mittels Gateway (Knizak, M., Kunes, M., Manninger, M., Sauter, T.: Applying Internet management Standards to fieldbus so Systems, in Proceedings of the IEEE International Workschop on Factory Communication Systems, 1997, Spanien, Seiten 309-315) oder Modifizierungen der Transportschicht sowie einiger Protokollfelder (WO 02/071717 A2) vorgenommen, ist dies für die Kommunikation zwischen Configuration Clients gemäss ANSI/EIA-852 nicht möglich, da hier sowohl die zeitlichen Abläufe als auch die exakten Formate der Strukturen und Tabellen festgelegt sind und nur deren ge-55 naue Einhaltung die Kommunikation zwischen mehreren Configuration Clients (auch unter- 3

AT 414 067 B schiedlicher Hersteller) erlaubt. Die Strukturen und Tabellen sind allerdings nicht für private und öffentliche Adressen konzipiert, wodurch derzeit nur die Netzwerkkonfiguration 1) realisiert werden kann, was eine große Einschränkung der möglichen Anwendungsgebiete darstellt. 5 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, alle vier genannten Anwendungsszenarien durch ein Verfahren derart zu realisieren, dass die Kommunikation mittels der vorgeschriebenen Formate für die Strukturen und Tabellen für herkömmliche und neuartige Geräte gleichermaßen ermöglicht wird. io Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass nur bestimmte Felder in den notwendigen Strukturen und Tabellen, ohne ihr Format zu ändern, derart modifiziert werden, dass jeweils die lokale oder öffentliche Adresse so verwendet wird, dass herkömmliche Knoten verbunden durch ein öffentliches Netz unter Verwendung dieser Abbildung mit Knoten verbunden mit privaten Netzen hinter Network-Address-Translator Routern kommunizieren können. 15

Ein System mit Configuration Clients und Configuration Server in den genannten Szenarien wird beispielsweise anhand der Fig. 1-8 beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Systemarchitektur mit und ohne NAT-Router 20 Fig. 2 die erweiterten Konfigurationstabellen im Configuration Client und Server Fig. 3 einen Anwendungsfall mit privaten IP Adressen Fig. 4 einen Anwendungsfall mit öffentlichen IP Adressen Fig. 5 einen Anwendungsfall eines Configuration Servers mit privater IP Adresse Fig. 6 einen Anwendungsfall eines Configuration Clients mit privater IP Adresse 25 Fig. 7 einen Anwendungsfall mit öffentlichen und privaten IP Adressen Fig. 8 einen Anwendungsfall mit Routing-Funktionalität in einigen Knoten

Wie Fig. 1 zeigt, besteht eine Netzwerkkonfiguration, die Datenpakete nach dem ANSI/EIA-709 Standard durch einen IP Kanal 102 (Intranet oder Internet) tunnelt, aus ein oder mehreren 30 Configuration Clients 100, 105 und einem Configuration Server 104, der sämtliche Configuration Clients auf diesem logischen IP Kanal 102 verwaltet. Dabei können die Configuration-Client-Knoten oder aber auch der Configuration-Server-Knoten entweder direkt an das Internet angeschlossen sein oder sich in einem privaten Intranet hinter einem NAT-Router befinden. Wie Fig. 1 zeigt, befinden sich die Knoten 100 und 104 in einem Intranet hinter einem NAT-Router 35 101, 103 und der Knoten 105 ist direkt mit dem Internet verbunden. Den Knoten 100 und 104 sind dabei eine private IP-Adresse 130, 135 sowie eine öffentliche IP-Adresse 132, 133 zugeordnet. Die öffentliche IP-Adresse bezieht sich dabei jeweils auf die öffentliche IP-Adresse des NAT-Routers 101, 103. Der Knoten 105 hingegen besitzt nur eine öffentliche IP-Adresse 136. Möchte nun der Knoten 105 ein Datenpaket an den Knoten 100 schicken, so muss dem Knoten 40 105 die öffentliche IP-Adresse des Knotens 100 bekannt sein. Der Configuration Server 104 muss sich demzufolge nicht nur die private (lokale) IP-Adresse 130 des Knoten 100 merken sondern auch die dazugehörige öffentliche IP-Adresse 132, damit der Configuration-Server 104 dem Configuration-Client-Knoten 105 diese öffentliche Adresse mitteilen kann. 45 Wie Fig. 2 zeigt, müssen die Konfigurationstabellen 250, 251, 252 in dem Configuration-Client-Knoten 200 laut Anspruch 1 so erweitert werden, dass sowohl die öffentliche 232 als auch die private 230 IP-Adresse abgespeichert werden können. Die Konfigurationsstruktur 251 (CFG) enthält dabei die lokale IP-Adresse IP_ADDR 230 als auch die öffentliche IP-Adresse NATADDR 232. In diesem Beispiel wurde als IP_ADDR 230 die Adresse 192.168.1.1 und als so NAT ADDR 232 die Adresse 221.36.4.5 gewählt. Die Device-Configuration-Datenstruktur DC 250 enthält die IP-Adresse DEV ADDR, die für alle am logischen IP-Kanal 202 teilnehmenden Configuration-Client-Knoten sichtbar ist, wobei DC.DEV_ADDR nach Formel 260 gebildet wird. Die Channel-Routing-Datenstruktur CR 252 enthält die IP-Adresse CR_ADDR für die Datenpa-ket-Routing-lnformation wobei CR.CR_ADDR nach Formel 261 gebildet wird. 55 4

AT 414 067 B

Die Konfigurationsstrukturen in dem Configuration-Server-Knoten 204 müssen ebenfalls so erweitert werden, dass sowohl lokale als auch öffentliche IP-Adressen unterschieden werden können. In der IP-Konfigurationsstruktur CFG wird einerseits die lokale IP-Adresse CFG.CSJP 235 als auch die öffentliche IP-Adresse CFG.CS_NAT 233 gespeichert. In der Members-5 Konfigurationsstruktur 256 müssen ebenfalls die lokale IP-Adresse MEMBERS.DEVJP als auch die öffentliche IP-Adresse MEMBERS.DEV_NAT aller am CN/IP-Kanal 202 teilnehmenden Configuration-Client-Knoten abgelegt werden. Die in der Channel-Membership-List CM 255 abgelegte IP-Adresse für die Channel-Members wird nach Formel 262 gebildet. Jedem Eintrag in der Channel-Membership-Liste 255 ist eine Device-Configuration-Datenstruktur 254 zugeord-io net. Die IP-Adresse, die in der Device-Configuration-Datenstruktur 254 hinterlegt werden muss, wird nach Formel 263 gebildet. Mit Hilfe der Formeln 260-263 wird es nun erstmals möglich, Knoten 200 und 204 hinter einer Firewall oder NAT-Router 201 und 203 zu betreiben, was mit einem erheblichen technischen und finanziellen Minderaufsvand verbunden ist, da keine dezidierte öffentliche IP-Adresse diesen Netzwerkknoten zugeordnet werden muss. Es ergibt sich 15 somit eine wesentliche Vereinfachung der Systemarchitektur, was auch mit finanziellen Einsparungen verbunden ist.

Wie Fig. 3 zeigt, kann laut Anspruch 2 sowohl der Configuration Server 304 hinter einem NAT-Router 303 als auch der oder die Configuration-Clients 300 hinter einem oder mehreren NAT-20 Routern 301 sitzen und weiterhin miteinander kommunizieren. Will nun der Knoten 304 ein Datenpaket an den Knoten 300 schicken, so benützt der Knoten 304 als Zieladresse die öffentliche Adresse 332 des NAT-Router 301. Der NAT-Router 301 muss nun so konfiguriert sein, dass Datenpakete, die an einen speziellen Port gerichtet sind, an die private IP-Adresse 330 des Knotens 300 weitergeleitet werden. Gleiches gilt im umgekehrten Falle für den NAT-Router 25 303 mit der öffentlichen IP-Adresse 333 und der Weiterleitung an die private IP-Adresse 335 des Knotens 304. Weiters muss der Configuration-Server-Knoten 304 die Device-Configuration-Struktur so modifizieren, dass der Knoten 300 den Configuration-Server unter der öffentlichen IP-Adresse 333 kontaktieren kann. 30 Wie Fig. 4 zeigt, kann laut Anspruch 3 auch der Standardfall mit nur öffentlichen IP-Adressen 430 für Knoten 400 und 431 für Knoten 402 im logischen IP-Kanal 401 als Spezialfall von dieser Erfindung abgedeckt werden.

Wie Fig. 5 zeigt, kann laut Anspruch 4 auch das Szenario abgedeckt werden, in dem der oder 35 die Configuration-Clients 500 eine öffentliche IP-Adresse 530 besitzen und der Configuration-Server 503 mit privater IP-Adresse 533 hinter einem NAT-Router 502 mit öffentlicher IP-Adresse 531 sitzt.

Wie Fig. 6 zeigt, kann laut Anspruch 5 auch das Szenario abgedeckt werden, dass der oder die 40 Configuration-Clients 600 eine private IP-Adresse 630 besitzen und hinter einem NAT-Router 601 mit öffentlicher IP-Adresse 632 sitzen und der Configuration-Server 603 eine öffentliche IP-Adresse 633 besitzt.

Wie Fig. 7 zeigt, kann laut Anspruch 6 das Szenario abgedeckt werden, dass einige Configura-45 tion-Clients 700, 706 eine private IP-Adresse 730, 737 besitzen und hinter einem NAT-Router 701, 707 mit öffentlicher IP-Adresse 732, 739 sitzen und einige Configuration-Clients 705 eine öffentliche IP-Adresse 736 besitzen und der Configuration-Server 703 entweder eine öffentliche IP-Adresse besitzt oder hinter einem NAT-Router 703 mit öffentlicher IP-Adresse 733 sitzt und eine private IP-Adresse 735 besitzt. 50

Wie Fig. 8 zeigt, können laut den Ansprüchen 7 und 8 Knoten 800, 804, 805 auch Routing-Funktionalität nach dem ANSI/EIA-709 Standard durchführen und Datenpakete nach dem ANSI/EIA-709 Standard von beliebigen Knoten 850, 853, 856 ... zu beliebigen anderen Knoten 851, 854, 856, ... weiterleiten. Auch hier können sich die Quellknoten und die Zielknoten hinter 55 NAT-Routern 801,803, 807 befinden.

Claims

5 AT 414 067 B Laut Anspruch 10 kann das Verfahren auf Configuration Clients in den Betriebsarten als Router, Knoten, IP-IP-Router und Proxy angewandt werden. 5 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Austausch von Datenpaketen zwischen Quell- und Zielknoten in Control-Netzwerken, bei dem die Datenpakete über einen Internet-Kanal, der durch einen Configuration Server mit einheitlicher Adresse durch festgelegte Strukturen und Tabellen gemäß. io dem EIA-852 Standard konfiguriert ist, zwischen Configuration Clients mit einheitlichen Adressen getunnelt werden, wobei das Verfahren jenen Datenaustausch über Network-Address-Translation Router hinweg von privaten in öffentliche Netze mit privaten und öffentlichen Adressen erweitert, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu nur bestimmte Felder in den notwendigen Strukturen und Tabellen ohne ihr Format zu ändern derart modifiziert 15 werden, dass jeweils die lokale oder öffentliche Adresse so verwendet wird, dass her kömmliche Knoten verbunden durch ein öffentliches Netz unter Verwendung dieser Abbildung mit Knoten verbunden mit privaten Netzen hinter Network-Address-Translator Routern kommunizieren können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen oder mehrere Quell knoten und ein oder mehrere Zielknoten geben kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Configuration Server als auch der Configuration Client hinter einem Network-Address-Translation Router 25 sitzen und somit eine lokale Adresse besitzen kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Configuration Server als auch der Configuration Client eine öffentliche Adresse besitzen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Configuration Server hinter einem Network-Address-Translation Router sitzt und somit eine lokale Adresse besitzt, jedoch der Configuration Client eine öffentliche Adresse besitzt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Configuration Client hinter 35 einem Network-Address-Translation Router sitzt und somit eine lokale Adresse besitzt, je doch der Configuration Server eine öffentliche Adresse besitzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Configuration Clients in dem System vorhanden sein können und einige dieser Configuration Clients hinter 40 einem Network-Address-Translation Router sitzen können und somit eine lokale Adresse besitzen und einige Configuration Clients direkt mit dem Internet verbunden sind und somit eine öffentliche Adresse besitzen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Routing nach dem ANSI/EIA- 45 709 Standard zwischen einem oder mehreren Netzwerkanschlüssen durchgeführt werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es für unterschiedliche Netzwerkmedien angewendet werden kann. 50
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Configuration Clients in allen nach dem EIA-852 Standard angeführten Betriebsarten als Router, Knoten, IP-IP-Router und als Proxy betrieben werden können.
11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch 6 AT 414 067 B gekennzeichnet, dass es sich um ein Gerät zur elektronischen Datenverarbeitung mit mehreren Anschlüssen zur Kommunikation über ANSI/EIA-709 und IP handelt. 5 Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55