CN101390339A - 网络通信量监控设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于过程控制网络的网络通信量监控设备。该示例性设备可以包括到物理介质的连接以及到所述过程控制网络的介质接入控制器的连接。该设备还可以包括过滤器，该过滤器具有位置识别器、数据比较器、计数器和接入控制器。所述位置识别器可以确定分组内的相关数据的位置(304)。所述数据比较器可以把所述相关数据与预定标准进行比较(306)。所述计数器可以对在指定时间段期间被发送到所述介质接入控制器的不匹配所述预定标准的分组的数量进行计数(308)。所述接入控制器可以在满足以下条件的其中之一的情况下把分组传递到所述介质接入控制器：所述相关数据匹配所述预定控制标准；尚未发送预定数量的分组(310)。

Description

网络通信量监控设备
技术领域
本发明一般而言涉及计算机网络，更特别地涉及控制网络通信量。
背景技术
网络提供从位于网络上的一个节点到位于该网络上的其他节点的通信。所述节点通常是个人计算机、工作站、文件或打印服务器、或者任何其他合适设备，并且利用所述网络向该网络上的其他节点传送信息。例如，网络上的工作站可以通过该网络与服务器或打印机进行通信。在更基本的网络中，传感器可以向基础计算机传送信息，该基础计算机可以向机械致动器传送信息。该基础计算机可以与多种传感器和一个机械致动器通信，以便执行所期望的操作。
本领域技术人员将认识到，存在许多不同类型的网络。例如，所述网络可以是局域网(LAN)。所述LAN上的节点可以例如通过广域网(WAN)与其他LAN通信。为了提供网络内的数据路由以及到各种其他相连网络的数据路由，所述网络可以使用设备来促进数据路由。例如，可以使用交换机、路由器、集线器或者桥接器在各节点和各网络之间发送及传送数据。
所述网络可以使用一种或多种协议以允许所述节点接收及发送数据。其中一种最普遍使用的协议是以太网。以太网允许各节点打包数据并且将其发送到所期望的节点，以及一旦在所期望的该节点处接收到所述数据就拆包所述数据。
过程控制网络(PCN)是被用来在各控制和测量节点及设备之间发送指令和数据的通信网络。以太网交换机是过程控制网络的一部分，并且充当在各过程控制网络节点内传输数据分组的管道。以太网交换机在逻辑上分割这些分组以便在其源与其目的地之间直接传播。
网络上的每一个节点都具有唯一的网络地址，其被称作数据链路控制(DLC)地址或介质接入控制(MAC)地址。把分组直接发送到所期望的介质接入控制地址将会提高安全性，这是因为在不同节点处的用户较不可能访问其他用户的数据。通过把分组直接发送到所期望的位置并且减少其他段上的分组的数目，可以提高总体性能和效率。过程控制网络高度强调快速的、确定性的数据吞吐量，同时还使内部和外部干扰最小。例如在以下文献中公开了过程控制网络的细节：ANSI/ISA-95.00.01-2000 Enterprise-Control System Integration Part 1：Models(ANSI/ISA 2000)；和ANSI/ISA-95.00.02-2001 Enterprise-ControlSystem Integration Part 2：Object Model Attributes：Object ModelAttributes(ANSI/ISA 2001)；以及A Reference Model for ComputerIntegrated Manufacturing(CIM)(Theodore J.Williams等，第二版，Instrument Society of America 1989)。
相应地，需要一种高效的系统和方法以确保所述过程控制网络不受内部或外部因素的干扰，以免妨碍关键数据的适时流动。另外，需要能够通过减少网络内的非关键数据的数量或者暂停该非关键数据的流动直到更合适的时间来提高网络的总体效率的系统和方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用来监控过程控制网络内的网络通信量的设备、系统和方法。
在一个实施例中，一种网络通信量监控设备可以在满足以下条件的其中之一的情况下允许把网络分组传递到所述介质接入控制器：相关数据与预定标准相匹配；或者尚未达到预定分组阈值。在另一个实施例中，所述网络通信量监控设备是到第一层网络的入口，并且包含可以利用现场可编程门阵列实现的过滤器。在又一个实施例中，所述网络通信量监控设备可以从包括以下各项的组中选择相关数据：关键网络内务处理、网络冗余数据、以及过程控制任务数据。在又一个实施例中，如果相关数据与预定标准不匹配并且已经发送了预定数量的非关键分组，则所述网络通信量监控设备可以用信号通知管理员。
附图说明
通过考虑下面结合附图所做出的详细描述，本发明的上述和其他目的和优点将是显而易见的，其中相同的附图标记始终指代相同的部分，在附图中：
图1是根据本发明一个示例性实施例的示例性以太网通信网络的一般化示意图。
图2是根据本发明一个示例性实施例的以太网通信网络过滤器的方框图。
图3是示出本发明的第一示例性实施例的流程图。
图4是示出本发明的第二示例性实施例的流程图。
具体实施方式
如图1所示，网络链路100为各节点提供附加的元件以便监控及过滤网络通信量通信。数据分组101从始发节点或网络102被传输到过程控制网络110。该始发节点或网络100例如可以采取个人计算机、工作站、文件服务器、或者任何其他合适设备的形式。
数据分组101可以按照标准化的以太网帧格式被存储，如图1所示，所述格式包括下列7个字段：前同步码(PRE)112、帧起始定界符(SOF)114、目的地地址(DA)116、源地址(SA)118、长度/类型120、数据净荷122、以及帧校验序列(FCS)124。
前同步码(PRE)112包括6个字节的数据并且是1和0的交替模式，其告知接收节点一帧即将到来，并且提供一种把接收物理层的帧接收部分与输入比特流同步的手段。帧起始定界符(SOF)114可以包括1个字节的数据并且是1和0的交替模式，其以两个连续的1比特结束，从而表明下一个比特是所述目的地地址的最左字节中的最左比特。目的地地址(DA)116可以包括6个字节的数据，并且标识出哪个(哪些)站应当接收所述帧。所述目的地地址(DA)字段中的最左比特可以表明该地址是个体地址(由0表示)还是组地址(由1表示)。左起第二比特可以表明目的地地址(DA)116是被全局管理(由0表示)还是被局部管理(由1表示)。源地址(SA)118可以包括6个字节，并且标识出发送站。源地址(SA)118通常是个体地址，并且所述SA字段中的最左比特通常是“0”。长度/类型120可以包括两个字节的数据，并且表明分组数据的长度/类型。数据净荷122是具有任何值的“n”个字节的序列，其中“n”小于或等于所设定的字节数量。如果数据净荷122字段的长度小于46字节，则可以通过添加足以把所述数据字段长度加长到46字节的填充数据(填充位)来延长数据净荷122字段。帧校验序列(FCS)124可以包括4个字节的数据并且包含一个32比特的循环冗余校验(CRC)值，其由发送介质接入控制器(MAC)108产生并且由接收介质接入控制器(MAC)108重新计算，以便检查被破坏的帧。帧校验序列(FCS)124是在所述目的地地址(DA)116、源地址(SA)118、长度/类型120以及数据净荷122字段上生成的。
所述物理介质连接(PHY)104允许所述帧分组101从物理硬件行进到所述网络介质接入控制器(MAC)108。所述物理介质连接(PHY)104还可以基于硬件类型和网络接口被定义。根据一个示例性实施例，所述物理介质连接(PHY)104把分组101和控制信号提供到过滤器106。该过滤器106位于所述物理介质连接(PHY)104与所述介质接入控制器(MAC)108之间，并且接受来自该物理介质连接(PHY)104的所述分组101和控制信号，以及通过位置识别器计算所述数据净荷122内的关键信息的指示符在所述数据净荷122中的位置。
如图1所示，所述过滤器106可以包含比较器，该比较器在把从所述物理介质连接(PHY)104传递来的数据净荷122传递到所述介质接入控制器(MAC)106之前确定所述数据净荷是否满足特定的预定标准。该标准可以包括例如与对于所述控制任务来说关键的数据相关的数据。可能有操作所需要的但是对于所述控制任务来说不那么关键的其他数据，比如关键网络内务处理、网络冗余维护。通过所述过滤器106的计数器对不满足所述预定关键控制标准但是对于操作来说重要的分组101进行计数，并且只有在其数量在给定时间段内不超出预定阈值(例如500千比特每秒)的情况下才可以允许把所述分组101传递到所述介质接入控制器(MAC)108。所述阈值例如可以基于所述过程控制网络110所能应对的网络通信量的数量或者基于可接受的分组丢失率，其中所述可接受的分组丢失率是基于所述过程控制网络110所能被设计应对的网络拥塞。
在所述过滤器106在所述给定时间段内把所述关键分组和所述预定数量的非关键分组传递到介质接入控制器(MAC)108之后，该过滤器106可以阻止可能潜在地与去往所述过程控制网络110的数据流或者所述过程控制网络110内的数据流发生干扰的任何分组101。根据本发明的另一个示例性实施例，所述过滤器106可以丢弃或者去除可能潜在地损害所述过程控制网络110的高效操作和分组流的任何非关键分组。如果任何分组101在被传递到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108(如图1所示)之前被扣留或去除，本发明的另一个实施例可以令所述过滤器106通知管理员。在另一个实施例中，如果任何分组101在被传递到所述过程控制网络110(如图1所示)之前被扣留，则所述过滤器106可以利用存储器中的队列来存储所述分组101。
图2是被用来实现本发明实施例的示例性以太网通信网络过滤器106的方框图。根据该示例性实施例，具有分组101的形式的数据被所述过滤器106接收。所接收的分组101可以被用来启动RX状态机202。该RX状态机202可以被用来控制所述过滤器106的功能和其他组件。所述分组101被发送到规则比较器204和数据存储缓冲器208。在该规则比较器204处使用编程的规则作为位置识别器来剖析所述分组101，以便确定相关数据的位置。所述规则比较器204还可以具有被用作数据比较器以便比较所述相关数据的编程的规则。把所述相关数据与已知被包括在关键分组中的数据串进行比较。如果所述相关数据匹配与所述关键数据相关联的数据串，则确定所述分组101是关键分组，并且将其从所述缓冲器208发送到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108。如果所述数据串不匹配所述相关数据，则把所述分组101与已知被包括在对于操作来说重要的分组中的数据串进行比较。所述规则比较器204可以确定对于所述过程控制网络110的操作来说重要的网络通信量是否达到阈值。如果尚未达到该阈值，则通过所述通信量计数器206对所述分组101进行计数，并且将其从所述缓冲器208发送到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108。如果达到所述阈值，则可以丢弃所述分组101或者存储该分组以供后面传输。所述规则比较器204可以使用编程的规则作为接入控制器，从而允许在满足上述条件的情况下把分组传递到所述介质接入控制器(MAC)108。
可以按照多种方式使用所述通信量计数器206。例如，该通信量计数器206可以被用来确定被传递到所述过程控制网络110的所有通信量，或者仅仅确定被传递到该过程控制网络100的通信量的已定义集合(比如操作所需要的非关键分组)。
所述过滤器106还可以具有监视器210。该监视器210可以被利用来向其他网络组件或者网络管理员告警所述过滤器106或网络通信量的状态。例如，所述监视器210可以针对以下情况向网络管理员提出告警：已经达到所述网络通信量阈值，并且所述过滤器106正在丢弃分组。
可以利用硬连线电路或者现场可编程门阵列(FPGA)程序来实现所述过滤器106，以便执行所期望的操作。在硬件体系结构方面，所述过滤器106还可以包括处理器、存储器以及一个或多个输入和输出接口设备。本地接口可以具有附加的元件(为了简单起见其被省略)以便实现通信，所述附加元件比如是控制器、缓冲器(高速缓存)、驱动器、转发器和接收器。此外，所述本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接，以便允许在网络的各组件之间进行适当的通信。
所述系统和方法还可以被结合在与计算机或者所述过滤器的其他合适操作设备一起使用的软件中。被存储或者加载在所述存储器中的软件可以包括一个或多个单独的程序，其中的每一个程序包括用于实施本发明的方法和系统的可执行指令的有序列表。所述软件可以与操作系统相结合地工作。所述操作系统实质上控制所述计算机程序(比如存储在所述存储器内的软件)的执行，并且提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理、以及通信控制和相关服务。所述系统和方法还可以包括图形用户接口(GUI)，以便允许所述管理员或用户输入与管理网络通信量的所述过滤器106相关联的约束。
图3用流程图描绘了本发明的第一示例性实施例，其中可以由所述物理介质(PHY)104传递至少一个数据分组(块302)。可以识别出所述分组101内的相关数据(块304)。所述过滤器106可以忽略所述数据分组内的下面6个字段：前同步码(PRE)、帧起始定界符(SOF)、目的地地址(DA)、源地址(SA)、长度/类型以及帧校验序列(FCS)，并且该过滤器106可以完全集中于所述分组101的数据净荷122以便分辨关键或非关键数据。该过滤器106例如可以使用所述数据净荷122内的位置和/或数据序列来确定相关数据的位置。该滤波器106还可以识别出所述分组101的其他上述字段中的相关数据。
在本发明确定了相关数据的位置之后，可以把所述相关数据与所述预定标准进行比较(块306)。如果所述相关数据匹配对应于关键控制数据的所述预定标准，则把所述分组101传递到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108(块310)。如果所述相关数据不匹配对应于关键控制数据的所述预定标准但是却匹配对应于对操作来说重要的数据的标准，并且还没有达到非关键操作数据流的极限，则对所述分组101进行计数(块308)并将其传递到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108(块310)。如果已经达到非关键操作数据流的极限，所述过滤器就可以丢弃所述分组101或使用这里讨论的其他方法。不满足所述关键或非关键操作标准的所有数据都可以被丢弃。
图4用流程图描绘了本发明的第二示例性实施例，其中在把非关键操作数据分组传递到所述介质接入控制器(MAC)108之前可以存储所述非关键操作数据分组。可以由所述过滤器106从所述物理介质(PHY)104接收所述分组101(块402)。可以识别出所述分组101内的相关数据(块304)。所述过滤器106例如可以使用所述数据净荷122内的位置和/或数据序列来确定相关数据的位置。该过滤器106把所述相关数据与预定标准进行比较。所述预定标准可以是与在关键网络分组中找到的相关数据相关联的数据串(块406)。
所述过滤器106确定所述分组101是不是与所述过程控制网络110相关联的关键分组，或者该分组101是不是非关键操作分组(块408)。如果该分组101是关键分组(块408的“是”分支)，则把该分组101发送到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108(块410)。如果所述分组101是非关键操作分组(块408的“否”分支)，则对该分组101进行计数并且添加到非关键网络通信量的数量中(块412)。所述计数器206可以被用来仅仅对非关键操作网络通信量进行计数(如该示例性实施例中所描述的)，或者该计数器206也可以被用来对所有通信量(不管是关键的还是非关键的)进行计数，在这种情况下，所述计数动作可以在确定所述分组101包括关键还是非关键数据之前发生。
所述过滤器106确定是否已经接收到过程控制网络通信量阈值(块414)。如果尚未接收到非关键操作网络通信量的阈值(块412的“否”分支)，则把所述分组101发送到所述过程控制网络110的介质接入控制器(MAC)108(块410)。如果已经超出非关键操作网络通信量的阈值(块412的“是”分支)，则可以把所述非关键分组存储在一个队列中(块414)。所述队列可以是先进先出(FIFO)队列。一旦由所述过程控制网络110接收到的网络通信量低于所述阈值，就把所述缓冲器208中的第一分组发送到所述介质接入控制器(MAC)108(块410)。
本领域技术人员将认识到，可以通过这里描述的实例和实施例之外的其他实例和实施例来实践本发明，上述实例和实施例是出于说明而非限制的目的被给出的，本发明仅由后面的权利要求书来限定。

Claims (7)

1、一种用于过程控制网络的网络通信量监控设备，包括：
到物理介质(104)的连接；
到所述过程控制网络(110)的介质接入控制器(108)的连接；以及
过滤器(106)，该过滤器包括：
位置识别器，用于确定分组内的相关数据的位置；
数据比较器，用于把所述相关数据与预定控制标准进行比较；
计数器，用于对在指定时间段期间被发送到所述介质接入控制器的不匹配所述预定控制标准的分组的数量进行计数；以及
接入控制器，其在满足以下条件的其中之一的情况下把分组传递到所述介质接入控制器：所述相关数据匹配所述预定控制标准；尚未发送预定数量的分组。
2、权利要求1所述的网络监控设备，其中，所述通信量监控设备是到第一层网络的入口。
3、权利要求1所述的网络监控设备，其中，所述过滤器是现场可编程门阵列。
4、权利要求1所述的网络监控设备，其中，所述相关数据是从包括以下各项的组中选择的：关键网络内务处理数据、网络冗余数据、维护数据、以及过程控制任务数据。
5、权利要求1所述的网络监控设备，其中，所述数据比较器还把所述相关数据与预定非关键控制标准进行比较，所述计数器还对在指定时间段期间被发送到所述介质接入控制器的匹配所述预定非关键控制标准的非关键控制分组的数量进行计数，并且所述接入控制器还在满足以下条件的其中之一的情况下把分组传递到所述介质接入控制器：所述相关数据匹配所述预定控制标准；尚未发送预定数量的非关键控制分组。
6、权利要求1所述的网络监控设备，还包括缓冲器，其中如果所述相关数据不匹配所述预定标准并且已经发送了预定数量的分组，所述接入控制器就把分组存储在所述缓冲器中。
7、权利要求1所述的网络监控设备，其中，如果所述相关数据不匹配所述预定标准并且已经发送了预定数量的分组，所述接入控制器就用信号通知管理员。
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