CN103166857A

CN103166857A - 用于传输有用数据的方法

Info

Publication number: CN103166857A
Application number: CN2012105496589A
Authority: CN
Inventors: 赫尔穆特·杰本斯特赖特; 弗朗克·沃特
Original assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Current assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-06-19
Also published as: EP2605457A1; DE102011088812A1; US20130191501A1

Abstract

描述了一种用于将有用数据从原计算设备（4）的原应用（20）传输到至少一个目标计算设备（6；8）的目标应用（22；24）的方法。原计算设备（4）和目标计算设备（6；8）借助以太网技术连接。在该方法中执行如下时间上相继的步骤：通过原计算设备（4）产生以太网报文（62），其中报文包括有用数据，以及通过原计算设备（4）将以太网报文发送给目标计算设备。在产生以太网报文时通过MAC目标地址始终恰好确定至少一个针对其目标应用（22；24）确定有用数据的目标计算设备（6；8）。原计算设备（4）始终有权发送。以太网报文无连接地发送到目标计算设备（6；8）。

Description

用于传输有用数据的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于传输有用数据的方法。

背景技术

已知的是，计算设备借助以太网技术彼此连接成以太网络，用于数据传输。

此外，已知了以以太网技术构建的网络协议，所述网络协议作为所谓的现场总线系统应用于自动化技术领域中。对此的例子是以太网POWER LINK或EtherCAT。EtherCAT是Hans Beckhoff的注册商标。尤其是为了仲裁，也就是用于分配时隙来用于发送有用数据，这些协议需要特殊的硬件和/或需要附加的计算设备或网络节点。

在DE 102005008503B3中公开了一种用于数据传输的方法，其中接收关于在数据的块中的至少一个传输目标或转发目标的连接信息。该块以单元形式通过一个或多个中继站来传输。

发明内容

本发明的任务是提出一种方法，其简化了有用数据的传输并且降低了用于构建相应的网络的开销。

该任务通过根据权利要求1所述的用于传输有用数据的方法来解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中予以说明。此外，对于本发明而言重要的特征还在以下的描述和附图中找到，其中特征不仅能够单独地而且能够以不同组合地能够反映本发明的重点，而就此未再次明确表示。

由于原计算设备始终有权发送，所以多主机运行通过该方法是可能的，其中每个原计算设备允许随时发送以太网报文或允许置于发送就绪。例如将用于发送以太网报文的时隙预给定给相应的原计算设备的其他计算设备因此不是必需的。由此，可以降低传输时间。

由于在产生以太网报文时通过MAC目标地址始终恰好确定至少一个目标计算设备（对于目标计算设备的目标应用确定有用数据），不需要其他传输协议譬如互联网协议（IP）。也不需要在不同网络之间或通过其他协议的中继步骤，其中根据有用数据和目标计算设备将有用数据例如划分成多个报文，或者其中所述多个报文可以采取通过所连接的网络的不同路径。通过由此实现的对待传输的数据的减小得到了更低的网络负荷并且由此得到了有用数据的更快传输。中继步骤的避免也有助于快速地传输有用数据。

以太网报文的无连接发送进一步减小了待传输的数据量。减小的数据量和删减掉的连接建立和连接拆除有助于：在原计算设备上所检测的事件能够尽可能快速地通知目标计算设备的应用。

此外，可以使用标准以太网部件譬如以太网模块和标准以太网线缆，这使得特别适配的硬件和/或软件的使用变得多余。优选地，在以太网络中仅使用要求保护的方法，以便避免任何其他网络信息流通量并且由此尤其是在传输时间方面改善了有用数据传输的质量。

在产生以太网报文时，有利地通过MAC目标地址来确定多个目标计算设备来接收以太网报文，由此仅需要唯一地传输有用数据，并且降低了通过以太网报文对以太网络造成的负荷，这在待传输的有用数据方面总体上引起了快速传输。在该情况中，交换机尤其是存储和转发交换机（其中间存储接收到的以太网报文）的使用使得连接到以太网络的每个原计算设备能够同时发送，因为交换机可以在多个连接部处同时接收以太网报文。

在该方法的一个有利的改进方案中，通过MAC目标地址对一组通过以太网技术连接的计算设备寻址。在使用交换机的情况下，该交换机将所有以太网报文转发到所有其他计算设备，因此每个计算设备“看到”所有这样被寻址的以太网报文。有利地，未通过一组计算设备被寻址的计算设备在接收时已经将以太网报文丢弃。由此，形成了在通信层和/或应用层的区域中未被寻址的计算设备的负荷降低。

在一个有利的改进方案中，在产生以太网报文时，在以太网报文的以太网有用数据字段中确定发送方标识符。与相应的以太网模块的MAC原地址无关地，可以进行应用层和通信层的实施，其中仅在目标地址（优选多播地址）方面必须在通信层以及可能还有应用层方面进行考虑。尤其是多个多播地址可优选为相应计算设备的以太网模块预给定。

在该方法的一个有利的实施形式中，在产生以太网报文时在以太网报文的以太网有用数据字段中确定报文号，该报文号对于其中MAC目标地址和发送方标识符一致的每个报文提高或降低固定的值。由此，提出了一种对已存在于以太网技术中的CRC校验的附加的数据保护。由此可以校验是否多个以太网报文中是否有一个以太网报文丢失。

在该方法的一个有利的改进方案中，待发送的以太网报文在确定的时长结束之后被设置为发送就绪，其中该时长以之前发送的以太网报文被发送的时刻开始，其中待发送的和已发送的以太网报文的MAC目标地址和发送方标识符一致。由此，提出了一种机制，其有利地有助于降低网络负荷。尤其是防止了计算设备有故障地用以太网报文使以太网络“溢出”。

附图说明

本发明的其他特征、应用可能性和优点从以下对本发明的实施例的描述中得到，这些实施例在附图的视图中示出。在此，所有被描述的或示出的特征本身或任意组合地形成本发明的主题，而与其在权利要求中的概括或其引用关系无关以及与起在说明书中的表述或在附图中的图示无关。对于功能上等同的量在所有视图中即使在不同的实施形式中也使用了相同的附图标记。

以下参照附图阐述了本发明的示例性实施形式。在附图中示出了：

图1：示意性示出的协议栈；

图2：示意性示出的报文结构；

图3a：示意性示出的寻址模式；

图3b-3d分别为示意性示出的通信模式；以及

图4和图5分别为以太网配置的示例性实施。

具体实施方式

图1示出了示意性示出的协议栈2。在垂直方向上示出了原计算设备4、目标计算设备6和另外的目标计算设备8。原计算设备4与两个目标计算设备6和8通过示意性示出的通信信道10以物理方式连接。

计算设备4、6和8例如是自动化系统的过程控制计算机。计算设备4、6和8形成了以太网络。当然，也可以只有两个计算设备4和6彼此连接并且形成以太网络。

协议栈2由应用层12、下级的通信层14和下级的以太网层16组成，其中层12、14和16分别水平地布置。

根据箭头18，有用数据要从原计算设备4的原应用20被传输到至少一个目标计算设备6的目标应用22。如果除了目标计算设备6之外也对目标计算设备8寻址，则有用数据除了传输至目标应用22之外也传输至目标计算设备8的目标应用24，其中有用数据的传输通过唯一的还要阐述的以太网报文来进行。

根据箭头26，至少有用数据被递交给通信单元28，其中由原应用20可以直接或间接地预给定其他稍后阐述的协议信息。根据箭头30，有用数据要与所述其他协议信息一起被传送给目标计算设备6的目标通信单元32。在相应寻址时，有用数据要与其他协议信息一起也被传输至目标计算设备8的另一目标通信单元34。

根据箭头36，原通信单元28将有用数据与所述其他协议信息一起递交给以太网模块38。以太网模块38产生以太网报文，该以太网报文以下将参照图2进一步予以阐述。以太网报文因此通过原计算设备4产生并且包括有用数据，有用数据同样将参照图2进一步予以阐述。根据箭头40，以太网报文通过原计算设备4来发送并且输送给通信信道10。

根据箭头44，以太网报文被目标计算设备6的以太网模块46接收。以太网报文根据箭头48提供给目标通信单元32或通过以太网模块46通知目标通信单元32以太网报文的接收。根据箭头50，目标通信单元32为目标应用22提供有用数据。

在相应寻址时，以太网报文根据箭头52也通过以太网模块54来提供并且根据箭头56提供给目标通信单元34。根据箭头58，目标计算设备8为目标应用24提供有用数据。

图1由此示出了有用数据从原计算设备4的原应用20到至少一个目标计算设备6、8的目标应用22、24的传输。从通信层14出发，在原计算设备4的以太网层16中产生以太网报文。在时间上随后通过以太网层16由原计算设备4发送以太网报文。在时间上随后在以太网层16中由目标计算设备6接收以太网报文。随后，有用数据借助通信层14由目标应用22、24的目标计算设备6、8来提供。

原计算设备4和目标计算设备6、8借助以太网技术根据以太网模块38、46、54和示意性示出的通信信道10彼此连接。计算设备4、6、8因此一起为以太网络。如果计算设备4、6、8分别是自动化系统的过程控制计算机的一部分，则通过以太网技术连接的过程控制计算机形成以太网络。

原计算设备4始终有权发送。这意味着，原计算设备4确定了用于发送报文的时刻，基本上对其他计算设备没有影响。原应用20产生根据箭头18要传输的有用数据或将有用数据提供给原通信单元28。有用数据理解为如下数据：其不超过一定的大小，其中该大小取决于以太网报文和其针对最大可接收的数据大小的预给定。但附加地也可以由原计算设备4预给定最大的大小。如果待发送的有用数据要超过预给定的大小，则这优选由原通信单元28来分段并且分配到多个以太网报文。

以太网报文由原计算设备4无连接地发送给目标计算设备6、8。以太网报文的无连接的发送意味着，没有连接或建立用于传输以太网报文的路径。

根据箭头26，原应用20引起了如下措施：其引起以太网报文根据箭头40的发送。既不在应用层12中也不在通信层14中集成仲裁机制，其中该仲裁机制影响对通信信道10的访问。任何仲裁即信道访问冲突解决通过以太网模块38、46、45和/或通信信道10本身来执行。以太网报文从原计算设备4开始的发送因此仅与上述仲裁机制有关，并且发送以太网报文的时刻因此基本上由原计算设备本身确定并且基本上与其他参与以太网络的计算设备无关。原计算设备4由此独立地发送以太网报文。

以太网模块38、46和54是商业上可获得的以太网部件，其通过在通信信道10的区域中同样商业上可获得的以太网部件彼此连接。以太网模块38、46和54分别关联有计算设备4、6和8。在通信层14和应用层12的区域中，相应的应用或单元优选构建为软件。但在通信层14和应用层12的区域中，当然也可能的是尤其单元28、32和34以硬件构建。

两个计算设备例如原计算设备4和目标计算设备6或者多于两个的计算设备形成以太网络，只要它们通过相应的以太网模块38、42、46和通信信道10彼此连接。以太网技术在此情况下包括在通信信道10的区域中的以太网部件和以太网模块38、42、46譬如相应的线缆和/或交换机。

图2示出了示意性示出的报文结构60，其具有以太网报文62，该以太网报文根据图1由以太网模块38产生并且根据箭头40通过通信信道10来发送。以太网报文62因此关联有以太网层16。以太网报文62主要包括开端字段64、MAC目标地址字段66（MAC=Media Access Control（媒体访问控制））、MAC原地址字段68、类型字段70、以太网有用数据字段72以及其他字段74。所述其他字段74例如包含CRC字段（CRC=Cyclic Redundancy Check（循环冗余码校验）），其设置用于容纳校验值，以便在目标计算设备6、8的方面识别在传输以太网报文时的错误。CRC功能在以太网模块38、46和54中实施。

在通信层14中，MAC目标地址76、发送方标识符78、报文号80、数据长度82和有用数据84由原计算设备4的原通信单元28预给定。发送方标识符78、报文号80和数据长度82通常称作其他协议信息86。根据图1，以太网报文62通过原计算设备4产生，其中根据箭头36将MAC目标地址76写入以太网报文62的MAC目标地址字段66中。所述其他协议信息86与有用数据84一起根据箭头36写入以太网有用数据字段72中。以太网报文62通过原设备4的发送例如通过对位进行置位来初始化，其中对位进行置位导致以太网模块38根据箭头40来发送报文62。

在产生以太网报文62时，由原通信单元28通过MAC目标地址76和通过将MAC目标地址76写入MAC目标地址字段66中来确定目标计算设备6、8的至少一个，针对所述目标计算设备的至少一个目标应用22、24确定有用数据84。

根据通过MAC目标地址76的寻址方式（其中寻址方式参照图3a至3d来详细阐述），通信信道10和/或以太网模块46或54负责所述其他协议信息86和有用数据84根据箭头48或56提供给目标通信单元32或34。

由于在产生以太网报文62时在以太网报文62的以太网有用数据字段72中通过原通信单元28确定发送方标识符，所以一方面原计算设备4关联有多个发送方标识符78，而另一方面，在图1中所示的协议栈2在应用层12和通信层14中与在以太网模块38中固定预给定的MAC原地址无关。发送方标识符78优选具有1字节的大小。

报文号80在产生以太网报文62时在以太网报文62的以太网有用数据字段72中通过原通信单元28来确定。报文号80针对每个跟随的以太网报文62通过原通信单元28提高或降低了固定的值，优选提高了一，其中在所述跟随的以太网报文62中MAC目标地址76和发送方标识符78一致。在达到最大或最小的可能值之后，针对跟随的以太网报文62确定报文号80的最小或最大值。目标通信单元32或34控制到达的其他协议信息86和相关有用数据84的报文号80。

数据长度82指示在以太网有用数据字段72中后续的有用数据84具有何种大小。目标通信单元32、34可以根据预给定的数据长度82确定范围，在该范围中目标通信单元在以太网有用数据字段72中发现有用数据84，以便根据箭头50、58为目标应用22、24预给定或提供有用数据84。针对数据长度82优选设置2个字节。

图3a示出了用于计算设备90、92、94和96的寻址模式88，这些计算设备通过示意性示出的通信信道10彼此连接。通信信道10是以太网技术的部分。计算设备90、92、94和96不仅构建为原计算设备而且构建为目标计算设备。

所有计算设备90、92、94和96可以通过共同的广播地址来选择作为目标计算设备。通过将广播地址作为MAC目标地址76插入到以太网报文62的MAC目标地址字段66中，由此可以对所有计算设备90至96寻址。

此外，计算设备90至96中的一个或多个通过多播地址可选择作为目标计算设备。由此，通过将多播地址作为MAC目标地址76插入到以太网报文62的MAC目标地址字段66中，对所连接的计算设备90至96的组100、102或104寻址。通常，在广播地址和多播地址方面在产生以太网报文62时通过MAC目标地址76确定多个目标计算设备90至96来接收以太网报文62。当然，在计算设备90至96中没有其他计算设备具有相同的多播地址时，也可以计算设备90至96中的仅仅一个通过多播地址来寻址。

原则上，广播地址通常以以太网技术来确定。在多播地址方面可以根据以太网模块38、46和54的构建存储多个多播地址，使得如图3a中关于计算设备94和96所示，计算设备94、96可以具有多个多播地址。为此，多播地址优选借助相应的通信单元28、32、34被预给定给以太网模块38、46和54。

图3b示出了通信模式106，其中计算设备92起到原计算设备的作用并且根据箭头108将以太网报文62发送给该组104。为此，针对组104的相应的多播地址作为MAC目标地址76通过计算设备92的通信单元16写入MAC目标地址字段66中。

如果计算设备90至96例如通过参照图5更为详细地阐述的交换机连接，则交换机没有识别在广播地址与多播地址之间的差别，因此该交换机将具有多播地址或广播地址的以太网报文62原则上分配给所有其他所连接的计算设备，也就是在图3b中所示的情况下分配给计算设备90、94和96。然而计算设备90并不通过该组104来寻址，因此在接收时计算设备90的以太网层16的相应以太网模块已丢弃了以太网报文62。由于并不针对计算设备90所确定的以太网报文62已经在计算设备90的以太网层16中尤其是通过相关的以太网模块丢弃，所以减轻计算设备90的通信层14和应用层12的负荷，因为它们不必关心被丢弃的以太网报文62的进一步处理。

图3c示出了通信模式110，其中计算设备90根据箭头112将以太网报文62发送给其余的计算设备92、94和96。在通信模式110中，计算设备90借助广播地址对相应的以太网报文62寻址，以便通过MAC目标地址76对所有其余计算设备92至96寻址。

图3d示出了通信模式114，其中计算设备96根据箭头116将以太网报文62传送给该组100，即计算设备90和94。类似地如已经针对图3b就计算设备90所介绍的那样，图3d中的计算设备92已经在接收时丢弃了在此所发送的以太网报文62。

图3b至3d中所示的通信模式106、110和114例如在时间上相继地通过通信信道10。在此情况下例如可能的是，计算设备92、90和96在相同时刻尝试发送相应的以太网报文62。同时发送带来信道访问冲突，因为仅仅有唯一的共用通信信道10可供使用。以太网技术在此情况下负责解决冲突，其中根据所使用的以太网技术采取不同的措施。如果计算设备90至96例如通过还要阐述的交换机彼此连接，则计算设备92、90和96同时可以将其以太网报文62发送给交换机，其中交换机中间存储以太网报文62并且随后分配给网络参与方，也就是计算设备90至96。

计算设备90至96可以分配自己的时隙来发送，以便例如防止这些计算设备90至96将过多的以太网报文62通过通信信道10来发送。例如，待发送的以太网报文62在确定的时长结束之后才可以被设置为发送就绪或被发送，其中时长以如下时刻开始：以前所发送的以太网报文62在该时刻被发送，并且其中MAC目标地址76和发送方标识符78与待发送的和已发送的以太网报文62协调。但或者，通过原计算设备4本身预给定固定时刻来分别发送以太网报文62，其中该固定时刻例如在时间上彼此等距地间隔。

图4示出了以太网配置118的示例性实施，其中原计算设备4与目标计算设备6通过连接120例如以太网交叉线缆（Ethernet-Cross-Kabel）连接。以太网交叉线缆的特征在于被更换的线缆芯用于发送和接收信号，并且允许两个如下以太网模块彼此连接：它们设置相同地占用单个芯线。上面所介绍的用于将有用数据从原计算设备4传输至目标计算设备6的方法可以通过以太网络来执行。

图5示出了以太网配置122的示例性实施，其中原计算设备4通过前面已提及的交换机124与目标计算设备6和8连接，其中交换机124也称作以太网交换机。当然，图5中所示的计算设备4、6和8也如在图1和图4中那样分别具有原计算设备和目标计算设备的功能。

计算设备4、6和8的以太网模块38、46和54分别通过相应的连接126、128和130与交换机124的相应的连接部132、134和136连接。连接126、128和130优选是以太网线缆。计算设备4、6和8可以在图5所示的布置中在任意时刻通过连接126、128和130发送以太网报文62，其中交换机124负责冲突解决，其方式是到达的以太网报文62被中间存储并且随后发送到相应的连接部132、134和136并且由此发送给计算设备4、6和8。因此，交换机124也称作存储和转发交换机。

前面所描述的方法可以实施为用于计算设备4、6、8、90、92、94或98的至少一个的计算机程序。计算设备4、6、8、90、92、94或98适于将前面所描述的方法实施为计算机程序。自动化系统的过程控制计算机包括计算设备4、6、8、90、92、94或98，尤其是微处理器。过程控制计算机和/或计算设备4、6、8、90、92、94或98包括存储器介质，在存储器介质上存储计算机程序。自动化系统的通过以太网技术连接的过程控制计算机形成以太网络。两个过程控制计算机可以直接或通过交换机124彼此连接。多于两个的过程控制计算机通过交换机124彼此连接。

Claims

1.一种用于将有用数据（84）从原计算设备（4）的原应用（20）传输到至少一个目标计算设备（6；8）的目标应用（22；24）的方法，其中所述原计算设备（4）和所述目标计算设备（6；8）借助以太网技术连接，并且其中该方法包括时间上相继的如下步骤：

通过所述原计算设备（4）产生以太网报文（62），其中报文（62）包括有用数据（84），以及

通过所述原计算设备（4）将以太网报文（62）发送给所述目标计算设备（6；8），

其特征在于，

在产生以太网报文（62）时，通过MAC目标地址（76）始终恰好确定至少一个针对其目标应用（22；24）确定有用数据（84）的目标计算设备（6；8），原计算设备（4）始终有权发送，并且以太网报文（62）无连接地发送到所述目标计算设备（6；8）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过MAC目标地址（76）对所有通过以太网技术连接的计算设备（90，92，94，96）寻址。

3.根据权利要求1所述的方法，其中通过MAC目标地址（76）对通过以太网技术连接的计算设备（90，92，94，96）的组（100；102；104）寻址。

4.根据权利要求3所述的方法，其中未通过计算设备的所述组（104；100）寻址的计算设备（90；92）已在接收时将以太网报文（62）丢弃。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在产生以太网报文（62）时在以太网报文（62）的以太网有用数据字段（72）中确定与原应用（20）和/或原计算设备（4）关联的发送方标识符（78）。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在产生以太网报文（62）时在以太网报文（62）的以太网有用数据字段（72）中确定报文号（80），所述报文号对于每个后续的如下以太网报文（62）提高或降低固定的值：在所述以太网报文（62）中MAC目标地址（76）和发送方标识符（78）一致。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中待发送的以太网报文（62）在确定的时长结束之后被设置为发送就绪和/或被发送，其中所述时长以如下时刻开始：以前所发送的以太网报文（62）在该时刻被设置为发送就绪和/或被发送，并且其中待发送的以太网报文（62）和已发送的以太网报文（62）的MAC目标地址（76）和发送方标识符（78）一致。

8.一种用于计算设备（4；6；8；90；92；94；98）的计算机程序，其适于执行根据上述权利要求之一所述的方法。

9.一种自动化系统的过程控制计算机，其设置有计算设备（4；6；8；90；92；94；98），尤其是微处理器，在其上能够运行根据权利要求8所述的计算机程序。

10.一种用于根据权利要求9所述的自动化系统的过程控制计算机的存储介质，在其上存储有根据权利要求8所述的计算机程序。

11.一种以太网络，其具有至少两个通过以太网技术连接的根据权利要求9所述的过程控制计算机。

12.根据权利要求11所述的以太网络，其中过程控制计算机通过以太网交换机（124）彼此连接。