CN101843048A - 在网络中从分布式原理转换到主从原理的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在网络中从分布式原理转换到主从原理的方法，其中所述网络由多个端点系统(202-207)组成，并且其中端点系统(202-207)能够以报文的形式交换信息，其特征在于在所述网络中装设了至少一个集中器(303)，其中该至少一个集中器(303)a)能够对端点系统(202-207)所收到的一个或多个协议层的任意报文进行处理，然后把所述报文(经处理或未经处理)传播到所述端点系统，和/或b)能够产生一个或多个协议层的任意报文，所述报文被传播到端点系统(202-207)，并且其中由集中器(303)传播的报文被用于端点系统(202-207)中以实现至少一个系统级功能，例如与本地时间同步。此外，本发明涉及不同的设置例如集中器和带有这样的集中器的网络。

Description

在网络中从分布式原理转换到主从原理的方法
技术领域
本发明是关于一种在网络中从分布式原理转换到主从原理的方法，其中所述网络由多个端点系统组成，并且其中所述端点系统能够以报文的形式交换信息。
此外，本发明涉及一种由多个端点系统组成的网络的集中器，其中所述端点系统能够以报文的形式交换信息，并且其中所述集中器是用来在所述网络中从分布式原理转换到主从原理。
本发明还涉及由多个端点系统组成的网络的星形耦合器，其中所述端点系统能够以报文的形式交换信息，其中所述端点系统通过星形耦合器连接，并且其中至少一个集中器是所述星形耦合器的一部分。
最后，本发明涉及除其他之外还包含了上述星形耦合器的集成设置，及涉及至少包括集中器，和/或星形耦合器和/或集成设置的网络。
背景技术
计算机网络由端点系统和通信信道组成。所述端点系统能通过使用所述通信信道发送和接收报文而互相通信。此外，端点系统的特征是各端点系统都保存有本地时间(local clock)。
在这样的计算机网络中，能通过多个端点系统之间的交互作用实现系统级功能。这样的系统级功能的一个例子是同步功能。同步功能包括旨在使所述端点系统的本地时间都接近一致的所有功能性的变体。在本文中把同步功能用作说明性例子。
同步功能能实现主从原理或分布式原理。
●在主从原理中，单个端点系统是时间信息的来源。所有其他端点系统作为接受时间信息的从端点系统并以其从主端点系统所接收到的时间值设定其本地时间。
●在分布式原理中，多个端点系统提供时间信息。在这种情况下，第一步，各端点系统收集传送时间信息的不同端点系统的时序信息。第二步，各端点系统把会聚功能运用到所收集的时间信息上。这一会聚功能能够是例如平均功能或容错中点功能。第三步，各端点系统以从第二步得到的计算项校正其本地时间。
主从原理因其简单而有吸引力：主端点系统定期发送同步报文，所有从端点系统以该同步报文调整其本地时间。通过将主端点系统复制作为系统级的另一计算机或通过将单个主计算机设计成高完整性能够使得基于主从原理的同步功能容错，所述高完整性设计可基于在该主计算机设计内的冗余部件。主计算机的复制保证了万一失去了一个主机或一组主机，仍有获得时间信息的主机。因此，所述复制能确立同步功能的可用性。
高完整性设计是一般使用的、充分地限制故障组件的故障状态的工业流程。因此，一个或多个主计算机的高完整性设计确立了同步的完整性。该容错方法的缺点是因为将组件设计成高完整性而通常增加了成本。
从容错的角度来看分布式原理是有吸引力的。如果单个端点系统或一组端点系统出现故障并传送错误的同步报文，则其对同步功能的影响就被会聚功能限制。有关能容错的分布式功能的背景文献的一个关键成果是对于k个故障端点系统，需要有3*k+1个正确端点系统来容许有k个任意的故障端点系统。如考虑该等式，则能保证系统中的任何两个无错的本地时间在最差情况下的误差不会超过规定值。与主从原理相比下，分布式原理的缺点是算法较为复杂。
是否使用主从原理或分布式原理又或者使用两个原理的配合来实现系统级功能是设计上重要的决策。根据上述其中一个原理设计成的组件本身(指没有被修改)不能根据另一原理操作。
发明内容
本发明的目的是提供从分布式原理转换到主从原理的转换策略以得到系统级功能，并同时可向后与分布式原理兼容。
为此目的，在上述方法中使用了至少一个集中器，其中所述至少一个集中器装设在网络中并且其中所述至少一个集中器
a)能够对端点系统所收到的一个或多个协议层的任意报文进行处理，然后把所述报文(经处理或未经处理)传播到所述端点系统，
和/或
b)能够产生一个或多个协议层的任意报文，所述报文被传播到所述端点系统，并且其中由所述集中器所传播的报文被用于所述端点系统中以实现至少一个系统级功能，例如本地时间的同步。所述端点系统通过至少一个星形耦合器连接并且按照本发明，所述至少一个集中器是至少一个星形耦合器的一部分。
按照本发明的方法和不同设置(集中器、星形耦合器、集成设置)的其他一些有利的实现以及所述的网络如下：
●可处理一个或多个协议层的任意报文，不论其是否有故障都可被独立处理；
●由所述端点系统发送的所有报文都途经所述至少一个星形耦合器；
●由所述至少一个集中器产生的报文是定期产生的；
●包含所述至少一个集中器的所述至少一个星形耦合器适于执行监护功能；
●包含所述至少一个集中器的所述星形耦合器和适于实现另一网络协议的外部组件都被整合到集成设置中；所述外部组件实现的协议为另一协议，其有别于所述星形耦合器所实现的协议。这一实现会把例如FlexRay网络连接到以太网，以致FlexRay端点系统和以太网端点系统的相互通信变得可能。
●所述集成设置适于提供网间连接功能，该功能允许把报文从一个网络协议转换为另一个网络协议，反之亦然，并且其中所述星形耦合器适于把已被转换的报文传播到所述端点系统以及把来自所述端点系统的报文传播到所述外部组件。所述网间连接功能可转换从所述外部组件到所述星形耦合器的报文以及从所述星形耦合器到所述外部组件的报文。原则上，这一功能也能由所述集中器提供(把以太网报文转换为FlexRay报文并传播该报文(＝产生报文)，或把以太网报文的内容写入现有的FlexRay报文(＝报文处理))。这意味着在这种情况下的集中器的功能扩展至网间连接功能，其允许外部组件和所述星形耦合器之间的数据交换。
●所述集成设置适于提供当时的网间连接功能，以致所述星形耦合器的本地时间能被所述外部组件同步。
●所述端点系统是FlexRay端点系统，所述外部组件是以太网星形耦合器，并且其中网间连接功能把FlexRay报文转化为以太网报文，反之亦然；
●由所述至少一个集中器产生的报文是FlexRay报文或FlexRay通信符号；
●由所述集中器产生的报文是TTP报文；
●在由两个副本组成的复制网络的情况下，包含集中器的星形耦合器通过互通链路直接连接；
●在由多于两个副本组成的复制网络的情况下，所述身为主机/包含所述集中器的星形耦合器通过形成单向环形的互通链路连接；各星形耦合器及其一个或多个复制件通过这些所谓的互通链路交换信息。
●在复制网络的情况下，所述星形耦合器还通过所述互通链路发送同步报文；
●由所述至少一个集中器所产生和/或处理的报文可用于将各星形耦合器中的本地时间同步；
●所述至少一个星形耦合器按照高完整性设计策略进行设计。
现代的通信协议是分层实现的。标准的因特网通信协议所基于的OSI(开放系统互连)参考模型中给出一种分层方法。协议分层的主要目的是将功能分组，例如最低层仅可指定存取方案为物理通信媒介而较高的协议层则能实现确认服务，在该服务中报文接收者会把确认报文发回发送者以告知其原始报文已被正确地接收或接收失败。本申请中所述的发明对于协议层来说是不可知的，就其本身而论能在这些层中的任何一层，甚至同时在不同的层上，实现从分布式原理到主从原理的转换。
系统级功能是系统中的组件(在本案中为端点系统或星形耦合器)有着交互作用的功能。系统级功能的例子是：时间同步功能、诊断功能、维护功能、启动和重启功能、共识功能等等。
本创新包括能用于实现这一转换策略的方法和集中器。
所述转换策略的基本方法是模拟分布式原理，其中所述集中器产生与分布式系统级功能有关的所有报文，否则这些报文会由一组其他的现用节点生成。在两个原理中，这些报文源自一组可能更大组的被动式端点系统。在如上文所讨论的同步功能的情况下，所有同步报文源自所述集中器。例如，如果分布式功能需要四个各自产生一个同步报文的端点系统，则所述转换策略使得所述集中器本身产生分别的同步报文。这一产生过程能以不同方式实现：
●在所述转换策略的一个实现中，提供同步报文的端点系统能被重新配置以致其不再提供同步报文。或者，所述集中器可把源自端点系统的同步报文变为不再被任何接收者标识为同步报文的同步报文。在两种情况下，所述集中器都会生成属于自己的新引进的同步报文。
●在另一实现中，所述集中器会把源自所述端点系统的同步报文延迟到适当的时间点。所述集中器将重新定义所述端点系统收到的任何时序信息，但不会建立任何新的报文。
所述集中器可以作为通信信道的一部分的方式实现，其使现有的端点系统组件能够完全重用。例如，如果所述计算机网络连接在星型拓扑中，则所述集中器会是集中的转换设置的一部分。
通过把所述集中器设计成高完整性设置和/或安装复制的集中器可保持分布式原理的容错能力。所述高完整性设计保证了完整性而所述复制保证了系统功能的可用性。
由于按照分布式原理生成的组件能被充分地重用，所以本创新提供了可观的经济利益。特别是如果所述部件以ASIC(专用集成电路)实现，若需要重新设计这些组件，则会有重大的经济损失。此外，实现更复杂的分布式原理的微处理器的ASIC的实现是普遍而又经济的，但其存在设计缺陷，通过把要解决某些问题的负担转移到单个集中器的领域内能够缓解所述缺陷，在这领域内可能更易作出修改。
本创新还让所述星形耦合器中的中央总线监护功能得以简单地执行。中央总线监护功能是控制来自端点系统的报文的传送时序的机制。执行中央总线监护功能是为了防止故障端点系统违反其当时时间传输的规格。由于所述集中器是时间信息的来源且该时间信息被分布到所述端点系统，所以其不必与端点系统同步。因此，中央总线监护设计不必实现同步功能。这样会降低中央总线监护的复杂性因而会产生明显的经济效益，特别是如果这一中央监护功能按照例如用于民用航天应用中的认证标准发展。
如果所述集中器与执行不同协议的外部组件(星形耦合器或端点系统)整合，则本创新还让网间连接功能得以实现。当集中器被同步时，其还能产生包含由所述外部组件接收的报文的有效载荷数据的报文。这使得附加的网间连接组件能被废弃，又是一项明显的经济效益。这减少了硬件成本和发展经费。
如果所述集中器与N个时间触发网络之间互相接口，从这些网络中的其中一个网络获得时间，并为剩余的N-1网络提供主时间校正服务，则本创新使得存在于主网络的时间的全球概念扩展到可执行完全不同的时间触发协议的所有客户网络中。与先前的时间触发系统(M.Paulitsch，“嵌入分布式多群集系统的容错时间同步”，博士论文，工程学院计算机科学，维也纳大学，2002年9月)的多群集时间同步算法相比，本发明去除了内部和外部时间同步算法之间的区别。本发明能够建立横跨多个时间触发组网技术的单个的内部同步域。
到现在为止，先前的模拟技术主要用于实现开发和测试仪器以替代丢失的、有故障的或复杂的端点系统。与此相比，使用根据所示发明的方法和设置，是有可能对整个网络服务类别进行模拟，以通过更可靠地实现字段部署来替换任一现有但不足的功能。
附图说明
下文参照附图对本发明进行了详细的描述，在附图中：
图1描述了由六个端点系统组成的分布式计算机系统，
图2描述了星形耦合器的内部结构，
图3描述了集成设置，以及
图4描述了所述星形耦合器的高完整性设计。
具体实施方式
以下段落描述了本创新的一个可能的实现。所述实现基于由六个端点系统202-207和一个星形耦合器201组成的系统的例子进行了描述。
图1描绘了由与星形耦合器201连接的六个端点系统202-207组成的分布式计算机系统。各端点系统202-207和星形耦合器201之间的连接是双向通信链路103-106，其中各通信链路可把单个端点系统(在通信链路103-105的情况下)或端点系统网络(在通信链路106的情况下)与星形耦合器201连接。
星形耦合器201能通过通信链路107-109与其他一个或多个星形耦合器连接。通信链路107-109也是双向通信链路。使用通信链路107-109，所述星形耦合器能形成任意的树形拓扑。
星形耦合器201能在复制通信信道的情况下与其他星形耦合器连接。为连接到所述复制通信信道，所述星形耦合器使用两个单向通信链路110和111：通信链路110把数据传送到所述复制通信信道，通信链路111接收来自所述复制通信信道的数据。通信链路110和111被称为“互通链路”。
图2描绘了星形耦合器201的内部结构。所述星形耦合器的基本构件是本地时间301、调度表302、集中器303和路由控制单元304。
本地时间301用作时间触发传输的时间参考。
调度表302储存集中器303所产生的报文的传播时间点。在最简单的形式中，所述调度表将仅包含一条记录。在这种情况下，集中器303所产生的报文在这段时间传播。可选地，调度表还可储存端点系统202-207所产生的时间触发报文的到达和/或传播时间。该信息能被用于监护功能。监护功能是指如果端点系统202-207所发送的报文在调度表中的不变的时间距内于到达时间点的前后到达星形耦合器201，则所述星形耦合器才会传播该报文。如果报文在规定的时间距以外到达，则该报文不会被传播并会被丢弃。在这种情况下，星形耦合器201可在内部日志文件中存储错误的报文。
集中器303创建报文以模拟来自端点系统的报文，不论其在所述系统(端点系统202-207)中存在与否。当本地时间301显示的存储在所述调度表中的各自的传播时间点到达时，所述报文被创建以便能由所述星形耦合器传送。接收端点系统202-207会使集中器303所创建的报文合资格由端点系统传送。
路由控制单元304管理端点系统202-207所接收的报文的传播或者由集中器303所创建的报文的传播。因此，该传播因从接收端口或从集中器到达一组或一支组发送端口而完成。所有报文或仅一支组的报文的路由信息也可存储在调度表302中。
图3描绘了把外部设置502与星形耦合器201整合的集成设置501。这一外部设置可为例如以不同协议操作的星形耦合器或与以星形耦合器201的协议不同的协议操作的端点系统。集成设置501还实现转换功能503，所述转换功能把在外部设置502中操作的协议的报文转换为在星形耦合器201中操作的报文，反之亦然。这样，所述星形耦合器实现在不同的网络协议间移动数据的网间连接功能。此外，星形耦合器201中的本地时间301能与外部组件502同步。由集中器303创建的同步报文能散布该同步信息以致端点系统202-207也与外部组件502中操作的协议同步。
图4描绘了星形耦合器201组件的高完整性设计。所述高完整性设计的目的是把星形耦合器201检测不到的故障模式的可能性降低到可接受的低阈值。为了做到所述高完整性设计，安装了监测组件401以通过经由通信链路123-131与通信链路103-106的连接、与其他星形耦合器的链路107-109的连接以及与互通链路110、111的连接而监测星形耦合器201的输入和输出。另外，星形耦合器201以单向通信链路121和122扩展，以使得内部数据能在星形耦合器201和监测组件401之间交换。监测组件401持续地监测星形耦合器201的输出。基于监测器401通过通信链路122-131接收的信息，该监测器能够检测产生故障报文的星形耦合器201的某些故障。当监测器401检测到这样的故障报文便明确地把该报文标志为有故障。
本创新展示了使位于时间触发网络中的星型拓扑的中心的设置(例如“星形耦合器”或“中央(总线)监护器”或“集线器”)作为同步主机、作为不同网络协议之间的网间连接器以及作为网段的划区机制(即实施“中央总线监护”功能)操作的策略和设置。所述策略和设置的功能是基于中心设置在附属的网段中对端点系统的报文进行的模拟。

Claims (38)

1.一种在网络中从分布式原理转换到主从原理的方法，其中所述网络由多个端点系统(202-207)组成，其中端点系统(202-207)能够以报文的形式交换信息，并且其中端点系统(202-207)通过至少一个星形耦合器(201)连接，
其特征在于
在所述网络中装设了至少一个集中器(303)，其中所述至少一个集中器(303)是至少一个星形耦合器(201)的一部分，
并且其中所述至少一个集中器(303)
a)能够对端点系统(202-207)所收到的一个或多个协议层的任意报文进行处理，然后把所述报文(经处理或未经处理)传播到所述端点系统，
和/或
b)能够产生一个或多个协议层的任意报文，所述报文被传播到端点系统(202-207)，并且其中由集中器(303)传播的报文被用于端点系统(202-207)中以实现至少一个系统级功能，例如本地时间的同步。
2.按照权利要求1的方法，其中可处理一个或多个协议层的任意报文，不论其是否有故障都可被独立处理。
3.按照权利要求1或2的方法，其中由端点系统(202-207)发送的所有报文都途经至少一个星形耦合器(201)。
4.按照权利要求1-3中的其中一个权利要求所述的方法，其中由至少一个集中器(303)产生的报文是定期产生的。
5.按照权利要求1-4中的其中一个权利要求所述的方法，其中包含至少一个集中器(303)的至少一个星形耦合器(201)适于执行监护功能。
6.按照权利要求1-5中的其中一个权利要求所述的方法，其中包含至少一个集中器(303)的星形耦合器(201)和适于实现另一网络协议的外部组件(502)都被整合到集成设置(501)中。
7.按照权利要求6的方法，其中所述集成设置(501)适于提供网间连接功能(503)，该功能允许把报文从一个网络协议转换为另一个网络协议，反之亦然，并且其中星形耦合器(201)适于把已被转换的报文传播到端点系统(202-207)以及把来自端点系统(202-207)的报文传播到外部组件(502)。
8.按照权利要求6或7的方法，其中所述集成设置(501)适于提供当时的网间连接功能，以致星形耦合器(201)的本地时间(301)能被外部组件(502)同步。
9.按照权利要求6-8中的其中一个权利要求所述的方法，其中端点系统(202-207)是FlexRay端点系统，外部组件(502)是以太网星形耦合器，并且其中所述网间连接功能把FlexRay报文转化为以太网报文，反之亦然。
10.按照权利要求1-9中的其中一个权利要求所述的方法，其中由至少一个集中器(303)产生的报文是FlexRay报文或FlexRay通信符号。
11.按照权利要求1-10中的其中一个权利要求所述的方法，其中由集中器(303)产生的报文是TTP报文。
12.按照权利要求1-11中的其中一个权利要求所述的方法，其中在由两个副本组成的复制网络的情况下，包含集中器(303)的星形耦合器(201)通过互通链路(110，111)直接连接。
13.按照权利要求1-12中的其中一个权利要求所述的方法，其中在由多于两个副本组成的复制网络的情况下，身为主机/包含集中器(303)的星形耦合器(201)通过形成单向环形的互通链路(110，111)连接。
14.按照权利要求12或13的方法，其中在复制网络的情况下，星形耦合器(201)还通过互通链路(110，111)发送同步报文。
15.按照权利要求1-14中的其中一个权利要求所述的方法，其中由至少一个集中器(303)所产生和/或处理的报文可用于将各星形耦合器(201)中的本地时间(301)同步。
16.按照权利要求1-15中的其中一个权利要求所述的方法，其中至少一个星形耦合器(201)按照高完整性的设计策略进行设计。
17.一种由多个端点系统(202-207)组成的网络的集中器(303)，其中端点系统(202-207)能够以报文的形式交换信息，其中端点系统(202-207)通过至少一个星形耦合器(201)连接，其中所述至少一个集中器(303)是至少一个星形耦合器(201)的一部分，
并且其中为了在所述网络中从分布式原理转换到主从原理，集中器(303)
a)能够对端点系统(202-207)所收到的一个或多个协议层的任意报文进行处理，然后把所述报文(经处理或未经处理)传播到所述端点系统，
和/或
b)能够产生一个或多个协议层的任意报文，所述报文被传播到端点系统(202-207)，并且其中由集中器(303)传播的报文被用于端点系统(202-207)中以实现至少一个系统级功能，例如本地时间的同步。
18.按照权利要求17的设置，其中可处理一个或多个协议层的任意报文，不论其是否有故障都可被独立处理。
19.按照权利要求17或18的设置，其中由集中器(303)产生的报文是定期产生的。
20.由多个端点系统(202-207)组成的网络的星形耦合器(201)，其中端点系统(202-207)能够以报文的形式交换信息，并且其中端点系统(202-207)通过至少一个星形耦合器(201)连接，
其特征在于按照权利要求19-22的其中一个权利要求所述的至少一个集中器(303)是星形耦合器(201)的一部分。
21.按照权利要求20的星形耦合器，其中由所述端点系统(202-207)发送的所有报文都途经星形耦合器(201)。
22.按照权利要求20或21的星形耦合器，其中星形耦合器(201)适于执行监护功能。
23.按照权利要求20-22中的其中一个权利要求所述的星形耦合器，其中星形耦合器(201)和适于实现另一非星形耦合器(201)的网络协议的外部组件(502)都被整合到集成设置(501)中。
24.按照权利要求23的星形耦合器，其中所述集成设置(501)适于提供网间连接功能(503)，该功能允许把报文从一个网络协议转换为另一个网络协议，反之亦然，并且其中星形耦合器(201)适于把已被转换的报文传播到端点系统(202-207)以及把来自端点系统(202-207)的报文传播到外部组件(502)。
25.按照权利要求23或24的星形耦合器，其中所述集成设置(501)适于提供当时网间连接功能，以致星形耦合器(201)的本地时间(301)能被外部组件(502)同步。
26.包含按照权利要求20-25中的其中一个权利要求所述的星形耦合器(201)和适于实现另一非星形耦合器(201)的网络协议的外部组件(502)的集成设置(501)，星形耦合器(201)和外部组件(502)都被整合到集成设置(501)中。
27.按照权利要求26的集成设置，其中所述集成设置(501)适于提供网间连接功能(503)，该功能允许把报文从一个网络协议转换为另一个网络协议，反之亦然，并且其中星形耦合器(201)适于把已被转换的报文传播到端点系统(202-207)以及把来自端点系统(202-207)的报文传播到外部组件(502)。
28.按照权利要求26或27的集成设置，其中所述集成设置(501)适于提供当时网间连接功能，以致星形耦合器(201)的本地时间(301)能被外部组件(502)同步。
29.由多个端点系统(202-207)组成的网络，其中端点系统(202-207)通过至少一个星形耦合器(201)连接，并且其中端点系统(202-207)能够以报文的形式交换信息，其特征在于按照权利要求17-19中的其中一个权利要求所述的至少一个集中器(303)被装设在所述网络中。
30.按照权利要求29的网络，其中端点系统(202-207)通过按照权利要求20-25中的其中一个权利要求所述的至少一个星形耦合器(201)连接。
31.按照权利要求30的网络，其中按照权利要求26-28中的其中一个权利要求所述的至少一个集成设置(501)被装设在所述网络中。
32.按照权利要求31的网络，其中端点系统(202-207)是FlexRay端点系统，外部组件(502)是以太网星形耦合器，并且其中所述网间连接功能把FlexRay报文转化为以太网报文，反之亦然。
33.按照权利要求29-32中的其中一个权利要求所述的方法，其中由至少一个集中器(303)产生的报文是FlexRay报文或FlexRay通信符号。
34.按照权利要求29-33中的其中一个权利要求所述的网络，其中由集中器(303)产生的报文是TTP报文。
35.按照权利要求29-34中的其中一个权利要求所述的网络，其中在由两个副本组成的复制网络的情况下，包含集中器(303)的星形耦合器(201)通过互通链路(110，111)直接连接。
36.按照权利要求29-34中的其中一个权利要求所述的网络，其中在由多于两个副本组成的复制网络的情况下，身为主机/包含集中器(303)的星形耦合器(201)通过形成单向环形的互通链路(110，111)连接。
37.按照权利要求35或36的网络，其中在复制网络的情况下，星形耦合器(201)还通过互通链路(110，111)发送同步报文。
38.按照权利要求29-37中的其中一个权利要求所述的网络，其中由至少一个集中器(303)所产生和/或处理的报文可用于将各星形耦合器(201)中的本地时间(301)同步。
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