CN105432044A

CN105432044A - 软冗余协议

Info

Publication number: CN105432044A
Application number: CN201480043436.7A
Authority: CN
Inventors: V.库尔卡尼; A.肖尔茨
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-03-23
Also published as: EP2987280A1; US20160197766A1; DE102013215035B3; WO2015014543A1

Abstract

中间件（16），其包含在应用层（18）上被实施在网络堆栈（19）中的冗余协议（17）。

Description

软冗余协议

技术领域

本发明涉及用于网络的冗余协议的技术领域，其中该网络包含至少一个环形拓扑。

背景技术

如今，（通信）中间件在许多系统中作为基础被采用，以便实现监控或者控制解决方案。在下文，使用数据分发服务（DDS，DataDistributionService）代表多种中间件解决方案，而使用媒体冗余协议（MRP，MediaRedundancyProtocol）代表冗余协议。DDS的原理可在http://portals.omg.org/dds/content/page/specifications被找到。自从2008年4月，MRP被限定在国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission）的IEC62439标准中。

如今，冗余的拓扑（例如环）被使用，以便确保通信网络即使在各个线路上有故障的情况下也能够起作用（Funktionsfaehigkeit）。对这些拓扑的管理由冗余协议（诸如媒体冗余协议（MRP））承担。

目前，MRP在网络部件（大多连同其它的如Profinet的通信堆栈一起）上被实施在诸如西门子公司的SCALANCE的管理型交换机（ManagedSwitch）上。

如今，MRP（和相似的协议）被实施为使得它们对于所叠加的层（也就是说在这种情况下为中间件系统）来说透明地执行故障处理。这通过在网络部件（也就是说交换机）上实施该协议的实施而被实现。这抬高了网络部件的成本，因为除了纯的网络功能以外还必须投入用于实施冗余协议的计算效率和存储器。

发明内容

因而，本发明所基于的任务在于减低网络部件的成本和/或使简化网络部件的构建方案成为可能。

所述任务由在独立权利要求中所描述的解决方案来解决。本发明的有利的构建方案在其它权利要求中被说明。

按照第一方面建议了一种中间件。该中间件包含冗余协议。该冗余协议在应用层上被实施在网络堆栈中。

按照另一方面，建议了一种用于确保网络能够起作用的方法。该网络包含环形拓扑。该方法包含借助于冗余协议监控环形拓扑的方法步骤。该冗余协议被中间件包含。该冗余协议在应用层上被实施在网络堆栈中。

按照另一方面，建议了一种网络。该网络包含多个网络节点。所述网络节点被布置成环形拓扑。至少一个网络节点包含中间件。该中间件包含用于确保该环形拓扑能够起作用的冗余协议。该冗余协议在应用层上被实施在网络堆栈中。

本发明的优选实施例的原理是如下想法：通过冗余协议不在网络层上被实施而是被实施为所采用的中间件的子功能，减少所必需的系统成本。这允许（大多伴随着涉及反应速度的损失）在“应用软件”中实现诸如MRP的冗余协议的功能并且作为交换在网络中使用物美价廉的标准部件。

附图说明

接下来，本发明依据附图例如进一步被阐明。在此：

图1示出了按照本发明的优选实施例的网络；

图2示出了图1的具有被破坏的环形拓扑的网络；

图3示出了图1和2的网络的被构建为冗余管理器的网络节点；

图4示出了图3的以堆栈视图示出的冗余管理器。

具体实施方式

图1至4图解说明了按照本发明的优选实施例的网络1。

图1示出了按照本发明的优选实施例的网络1。该网络1包含多个网络节点11、11a、11b、11c、11d，所述多个网络节点11、11a、11b、11c、11d被布置成环形拓扑12。在所示出的实施例中，该环形拓扑12包含整个网络1。附加地，在该实施例的其它的变型方案中，单个的或者所有的网络节点11、11a、11b、11c、11d然而可以与其它的网络节点或者网络部分（未示出）相连，所述其它的网络节点或者网络部分不是环形拓扑12的部分。

网络节点11、11a、11b、11c、11d的至少一个、多个或者每个都包含中间件。在图3中，网络节点11例如更详细地被示出。该网络节点11包含中间件16。该中间件16包含冗余协议17。该冗余协议17在应用层18上被实施在网络堆栈19中。在图1中，这也是明显的，因为在网络堆栈19中所述被构建为MRP的冗余协议17通过被构建为DDS协议的中间件协议16a被实施。

参阅图1，箭头29a-d示出了在各个网络节点11、11a、11b、11c、11d的中间件部件之间的逻辑的通信连接，所述逻辑的通信连接用于交换关于网络1的状态信息，也就是说关于哪些通信连接是能起作用的而哪些通信连接是不能起作用的。在所述网络节点11、11a、11b、11c、11d之间的通信优选地是双向的。这种监控功能常常是中间件的组成部分并且可以（只要存在）被这里所描述的发明共同使用。如果不存在，那么监控功能被实施为冗余协议17的组成部分。

按照依据图1至4所示出的优选实施例，该冗余协议17包含中断功能25（参见图3）。该中断功能25被构建成促使环形拓扑12的逻辑中断15，其方式是例如网络节点11的端口（Port）14被禁用。

图2示出了图1的具有（例如以物理方式）被破坏的环形拓扑12的网络1，所述被破坏的环形拓扑12已经由在网络节点11c和11d之间的中断21造成。如果端口14如在图1中所示出的那样被中断，那么到网络节点11d的连接不再存在，也就是说从中间件的角度，该网络节点11d不再是可联系上的。该情形由监控功能发现并且被报告给网络节点11。在网络节点11上的冗余协议采取步骤，以便补偿该故障并且因而在该实施例中激活该端口14。在根据图2的所形成的网络中，所有的网络节点11、11a、11b、11c、11d又是可联系上的。

图3以更详细的图示示出了网络节点11。环形拓扑12的被构建为冗余管理器11的网络节点11包含中间件16。该中间件16包含冗余协议17。该冗余协议16用于确保环形拓扑12能够起作用。对此，对冗余协议的实施包含中断功能25。

图4以堆栈视图示出了图3的网络节点11。在该网络节点11中，网络堆栈19被实施。该网络堆栈19包含应用层18以及位于更下面的层28（诸如传输层（TCP）和网络层（IP））。在应用层18上，用于中间件16的应用的协议16a以及冗余协议17被实施。该冗余协议17以及中间件协议16a在应用层18上被实施在网络堆栈19中。

为了确保网络1能够起作用，环形拓扑12借助于冗余协议17被监控。

如果该环形拓扑12被破坏，那么该冗余协议17优选地被构建成废除（aufheben）逻辑中断15。

如果环形拓扑12的中断21已经被消除，那么该冗余协议17优选地被构建成促使环形拓扑12的逻辑中断15。

按照国际电工委员会的IEC62439标准，该冗余协议17优选地是媒体冗余协议（MRP）。

该中间件16优选地包含或者是对象管理组织（OMG，ObjectManagementGroup）的数据分发标准（也被称作数据分发服务标准（DataDistributionServiceStandard））的实施。

该中间件优选地在环形拓扑12的至少一个另外的网络节点11a、11b、11c、11d中或者在环形拓扑12的多个网络节点11、11a、11b、11c、11d中或者在环形拓扑12的所有的网络节点11、11a、11b、11c、11d中利用在应用层18上的冗余协议17被实施。特别有利的是，在所有的网络节点11、11a、11b、11c、11d中实施网络软件。那么，在中断21的情况下，所有的网络节点11、11a、11b、11c、11d借助所实施的中间件16或者是在中间件中所实施的冗余协议是可联系上的。如果只有一部分网络节点11、11a、11b、11c、11d已经利用在应用层18上的冗余协议17实施了该中间件，那么本发明依然起作用，因为在这些节点上的中间件部件之间的通信即使在中断21的情况下也依然可进行。

按照优选实施例，对冗余协议17的实施在中间件16中、也就是说在应用层18上在网络堆栈19中实现。

在下文，使用所述数据分发服务（DDS）代表多种中间件解决方案，而使用所述媒体冗余协议（MRP）代表冗余协议。

简短概述MRP

MRP以在网络中的环形拓扑12为前提，如在图1中所示出的那样。必须存在于每个网络中的MRP管理器1通过其使特定的数据包在环12中循环（zirkulieren）而监控环12的状态。只要这些包到达管理器11，就确保所有的网络连接是完好的。对于以太网的作用方式来说十分重要的是，该网络1是非圆形的。因而，MRP管理器11借助于逻辑中断15在它的两个网络端口13、14上使网络1“中断”并且由此产生非圆形的线形拓扑（然而用于进行监控的特定的包可以通过该中断15）。

在故障情况下，也就是说如果进行循环的监控包未到来，那么该MRP管理器11再次废除该逻辑中断15。这是容许的，因为该网络1至少在另一个位置21上被中断，这已经导致了所述监视包未到来。由此，通过废除该阻断15又形成线形拓扑。

简短概述DDS

DDS使用数据驱动的方法。根据DDS用户使数据可供支配并且其他用户表明对这些数据的兴趣而得出在网络中被DDS建立的通信连接。制造商和用户的耦合在此是不密切的，也就是说用户还不知道谁制造了这些数据，而制造商还不知道谁传送了这些数据。这种分开（Trennung）使得能够简单地将新的参加者接纳到网络中并且也提供了好的可缩放性。

然而，与常规的客户端－服务器（Client-Server）方法相反，附加的关于监控参加者的任务必须由DDS中间件承担。在客户端－服务器架构中，对参加者的监控（即监控所有的参加者是否还是可联系上的）可以轻易地由服务器承担，因为该服务器知道所有对数据感兴趣的参加者。服务器的故障又轻易地被这些客户端发现，因为所述客户端不能得到到服务器的连接。由于在DDS中的不密切的耦合，这不再被给出并且中间件自身必须承担对网络参加者的监控。这通过从各个节点出发由中间件定期地发送心跳（Heartbeat）或者相似的机制而发生。

MRP与DDS的组合

被构造为例如软MRP系统（Soft-MRPSystem）的网络1（如在图2中所示出的那样）例如可以被实现，其方式是端口中断功能25基于对被构建为DDS的中间件16的监控机制而如在MRP中那样被实施在环参加者11之一（软MRP管理器）上。与被安装在交换机上的MRP的作用方式相似，DDS监控服务一报告节点/连接故障，就按照本发明的优选实施例废除中断15，而该故障21一被消除，该中断15就被恢复。

比较MRP与软MRP的解决方案：

传统的在MAC层上被实施的MRP在故障的情况下保证了明显更快的反应时间（在DDS中的监控由架构决定地使用较高的超时（Timeout））。

传统的在MAC层上被实施的MRP要求“智能的”网络部件，这造成比标准部件更高的成本。

传统的在MAC层上被实施的MRP透明地并且独立于所叠加的网络层地工作。本发明的优选的基于软MRP的实施例以中间件的存在为前提。

针对其中如DDS那样的中间件解决方案被采用的所有应用领域，本发明的优选的基于软MRP的实施例因此是针对传统的在MAC层上被实施的MRP的成本有利的替代方案。在这些应用领域中，软MRP的反应时间是足够的，因为软MRP使用DDS的监控，该反应时间在故障情况下随着对具体系统的要求而自动地缩放，因为在DDS中的监控基于这些要求被配置。

采用软MRP对于对成本敏感的应用领域（SMART产品）和/或非实时的应用来说是有利的。

本发明的优选实施例充分利用，诸如DDS的通信中间件向通信网络提出其它的要求（诸如利用如今的技术被实现的自动化应用），但是在相同的应用领域（工业设备）中越来越多地被采用。到目前为止的解决方案（在网络层上的MRP）因而可以针对这些新的使用领域而被可替换的、成本有利的解决方案（在中间件层上的MRP）代替。

按照本发明的优选实施例的软MRP解决方案不是针对存在的MRP实施方案的普遍有效的替代方案，因为所述软MRP解决方案一方面只适合于确定的应用领域（在所述应用领域中采用DDS）而另一方面在故障情况下也实现较差的反应时间。如果这些反应时间是可容忍的并且应用领域被给出，那么为此然而明显的成本节约可以在网络部件中被获得。

Claims

1.中间件（16），其包含在应用层（18）上被实施在网络堆栈（19）中的冗余协议（17）。

2.根据权利要求1所述的中间件（16），其中，所述冗余协议（17）包含中断功能（25），所述中断功能（25）被构建成促使网络（1）的环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

3.根据权利要求2所述的中间件（16），其中，如果所述环形拓扑（12）被破坏，那么所述冗余协议（17）被构建成废除所述逻辑中断（15）。

4.根据权利要求2或3所述的中间件（16），其中，如果在环形网络（12）中的中断（15）（21）已经被消除，那么所述冗余协议（17）被构建成促使环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

5.根据上述权利要求之一所述的中间件（16），其中，所述冗余协议（17）是媒体冗余协议（MRP）和/或所述中间件（16）包含数据分发标准的实施。

6.用于确保网络（1）能够起作用的方法，其中，该网络（1）包含环形拓扑（12），并且其中该方法包含借助于冗余协议（17）监控环形拓扑（12）的方法步骤，其中该冗余协议（17）被中间件（16）包含，并且其中该冗余协议（17）在应用层（18）上被实施在网络堆栈（19）中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述中间件（16）包含环形拓扑（12）的被构建为冗余管理器（11）的网络节点（11）。

8.根据权利要求6或7之一所述的方法，其中，所述冗余协议（17）包含中断功能（25），所述中断功能（25）被构建成促使环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，如果环形拓扑（12）被破坏，那么所述冗余协议（17）被构建成废除逻辑中断（15）。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，如果环形拓扑（12）的中断（21）已经被消除，那么所述冗余协议（17）被构建成促使环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

11.根据权利要求6至10之一所述的方法，其中，所述冗余协议（17）是媒体冗余协议（MRP）和/或所述中间件（16）包含数据分发标准的实施。

12.根据权利要求6－11之一所述的方法，其中，中间件在环形拓扑（12）的至少一个另外的或者多个或者所有的网络节点（11、11a、11b、11c、11d）中利用在应用层（18）上的冗余协议（17）被实施。

13.网络（1），其包含多个被布置成环形拓扑（12）的网络节点（11、11a、11b、11c、11d），其中至少一个网络节点（11）包含中间件（16），并且其中该中间件（16）包含用于确保环形拓扑（12）能够起作用的冗余协议（17），并且其中该冗余协议（17）在应用层（18）上被实施在网络堆栈（19）中。

14.根据权利要求13所述的网络（1），其中，所述中间件（16）被环形拓扑（12）的被构建为冗余管理器（11）的网络节点（11）包含。

15.根据权利要求13或14所述的网络（1），其中，所述冗余协议（17）包含中断功能（25），所述中断功能（25）被构建成促使环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

16.根据权利要求15所述的网络（1），其中，如果环形拓扑（12）被破坏，那么所述冗余协议（17）被构建成废除逻辑中断（15）。

17.根据权利要求15或16之一所述的网络（1），其中，如果环形拓扑（12）的中断（21）已经被消除，那么所述冗余协议（17）被构建成促使环形拓扑（12）的逻辑中断（15）。

18.根据权利要求13至17之一所述的网络（1），其中，所述冗余协议（17）是媒体冗余协议（MRP）和/或所述中间件（16）包含数据分发标准的实施。

19.根据权利要求13至18之一所述的网络（1），其中，环形拓扑（12）的至少一个另外的网络节点（11、11a、11b、11c、11d）包含利用在应用层上的冗余协议（17）对中间件（16）的实施，或者其中环形拓扑（12）的多个或者所有的网络节点（11、11a、11b、11c、11d）在所有情况下都包含利用在应用层上的冗余协议（17）对中间件（16）的实施。