CN105933462B - 在工业自动化系统内部传输数据的方法和控制设备 - Google Patents

在工业自动化系统内部传输数据的方法和控制设备 Download PDF

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Abstract

为了在包括具有一组通信设备和子网控制设备的至少一个子网的工业自动化系统内部进行数据传输，分配给子网控制设备的名称或者配置服务组件为一组通信设备获取IPv4地址和所分配的设备名称。为一组通信设备从分配给子网的IPv6前缀和通信设备的IPv4地址分别计算出IPv6地址。由通信设备的IPv4地址和计算出的IPv6地址测定地址转换规则，其通过分配给子网控制设备的地址转换单元来用于在IPv4地址和IPv6地址之间进行地址转换。计算出的IPv6地址和所分配的设备名称存储在上级的名称服务服务器中。

Description

在工业自动化系统内部传输数据的方法和控制设备
技术领域
工业自动化系统尤其用于在制造自动化、过程自动化和建筑物自动化的领域中对技术过程进行监视、控制和调节，并且实现控制装置、传感器、机器和工业设施的运行，这应该尽可能自动地并且不依赖于人类干预地实现。基于信息技术对于包括大量的联网的控制或者计算单元的自动化系统的持续上升的重要性，用于可靠地提供经由自动化系统分派的功能以用于提供监控、控制和调节功能的方法有极大的重要性。
背景技术
在工业自动化系统或者自动化设备的计算单元之间的通信连接的中断会导致传输的服务请求的不希望的或者不必要的重复。这因此导致工业自动化系统的通信连接的附加负荷，这会导致另外的系统干扰或者系统错误。此外，没有或者没有完全传输的消息例如会阻碍工业自动化系统过渡到或者停留在安全的运行状态中。这最后会导致整个生产设施的故障和成本高昂的生产停止。在工业自动化系统中，特别的问题通常由具有相对多的，但是相对短的报文的报告交流导致，由此会加剧上述问题。
在EP 1 770 458 A2中描述了一种具有至少一个存储器可编程的控制单元的工业自动化系统，其中设置有用于对控制单元进行配置和用于将其可用性通告给通信网络的配置单元。配置单元在此向控制单元指明唯一的通信网路地址，其例如可以是IPv6地址。通过这种方式，控制单元可以自动地进入运行。
由申请号为EP 14171757.9的在先欧洲专利申请公开了一种用于为具有多个子网的分区段的网络的网络参与者分配通信网络地址的方法。子网分别通过子网路由器连接在将其相连的总网处。在此，由子网路由器通过交换经由总网分配的路由器报文分散地测定公共地址范围，并且在该地址范围内确定用于网络参与者的通信网络地址。
在2011年四月的Internet Engineering Task Force(IETF),Request forComments(RFC)6145和6146，ISSN 2070-1721(参见http://www.rfc-base.org/txt/rfc-6145.txt和http://www.rfc-base.org/txt/rfc-6146.txt)中，以互联网协议、版本6(IPv6)为基础的传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)通信连接到以互联网协议，版本4(IPv4)为基础的通信连接的转换。这种类型的转换在此被描述为NAT64(网络地址转换)。通过NAT，IPv6基础的通信设备能够对IPv4基础的通信设备通过以下方式进行访问，即尤其是执行地址格式匹配。在NAT64的框架中，IPv6通信设备使用虚拟的IPv6地址用于对IPv4通信设备进行访问，虚拟的IPv6地址借助于NAT64服务器通过分配给IPv4通信设备的IPv4地址来替代。以类似的方式，转换用于从IPv4通信设备至IPv6通信设备的的返回通道的通信网络地址。
此外，由IETF,RFC 6147(参见http://www.rfc-base.org/txt/rfc-6147.txt)已知，在域名系统(DNS)中，从称为A源记录(RR)的IPv4地址记录中计算出所对应的IPv6地址记录(AAAA源记录)并且其通过DNS服务器提供。基本上能够手动地通过DNS管理员执行从A记录到AAAA源记录的推导，其借助IP地址管理(IPAM)方案规划或者借助DNS64服务器持续地自动测定。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种用于在工业自动化系统内部传输数据的方法，该方法实现了基于IPv4的现有的通信或者自动化设备的通过工业自动化系统的基于IPv6的组件的可靠和成本低廉的待实现的使用，以及用于执行该方法的合适的装置。
根据用于在工业自动化系统内部传输数据的根据本发明的方法，该自动化系统包括具有一组通信设备的至少一个子网，分配给子网控制设备的名称或配置服务组件为该一组通信设备获取IPv4地址和所分配的设备名称。尤其是，仅仅在使用IPv4地址的情况下能够为一组通信设备的至少一部分实现在子网内部的在交换层面上的数据传输。通信设备可以例如分别集成到自动化设备中或者集成到工业自动化系统的输入/输出单元中。对于一组通信设备，从分配给子网的IPv6前缀和通信设备的IPv4地址分别计算出IPv6地址。
根据本发明，分配给子网控制设备的名称服务代理器为一组通信设备在工业自动化系统的至少一个上级的名称服务服务器中请求获取计算出的IPv6地址和分配的设备名称。计算出的IPv6地址和分配的设备名称在请求成功时存储上级的名称服务服务器中。为一组通信设备从通信设备的IPv4地址和计算出的IPv6地址测定出地址转换规则。测定出的地址转换规则通过分配给子网控制设备的地址转换单元来使用，以用于在IPv4地址和IPv6地址之间进行地址转换。通过这种类型的适配的地址转换，也可以在发生变化时，例如前缀变化或者有新的设备时可靠地计算出用于当前的IPv4通信设备的虚拟IPv6地址，从而即使在IPv6环境中也能够确保其进一步运行。
具有一组通信设备和子网控制单元的子网例如可以分配给工业自动化系统的单元。此外，工业自动化系统可以具有多个单元，并且其中每个单元都被分配至少一个独有的IPv6前缀。在这点上，规划用于当前单元的IPv4地址能够被毫无问题地接管，而不会导致与另外的单元的设备地址交叉。这尤其在串行机器或者多个基本相同的单元中是特别重要的。
根据本发明的一个有利的设计方案，子网控制设备包括零配置名称服务(konfigurationslose Namendienst)的名称服务组件。在此，子网控制设备的名称服务组件为一组通信设备根据名称解析协议获取IPv4地址和分配的设备名称。优选的是，用于一组通信设备的IPv4地址和分配的设备名称通过子网控制设备的名称服务组件根据发现和配置协议或者组播域名系统协议来获取。通过这种方式，能够以相对较小的成本可靠地实现本发明。
相应于根据本发明的方法的一个有利的设计方案，子网控制设备包括配置服务组件。子网控制设备的配置服务组件根据动态主机控制协议，第4版，第61项借助相应的通信设备侧特定的DHCP客户标识符来获取设备名称。通过这种方式，根据本发明的方法也能够应用到EtherNet/IP系统中或者以通用工业协议为基础来使用。
优选的是，仅仅对于以下的通信设备分别由分配给子网的IPv6前缀和IPv4地址计算出IPv6地址，该通信设备分别具有交换功能单元，交换功能单元仅仅设计和设置用于对IPv4互联网协议栈进行处理。为了计算相应的IPv6地址分别形成接口标识符，接口标识符的最高32位具有能调节的值并且标识符的最低32位由相应的IPv4地址形成。此外，子网具有单独被分配的IPv6前缀，该前缀仅仅用于由IPv4地址计算出的IPv6地址。通过这种方式能够快速和可靠地识别出，对于哪些设备需要地址转换。
相应于本发明的一个特别有利的设计方案，分配给用于由IPv4地址计算出IPv6地址的子网的IPv6前缀是链接关闭(off-link)前缀。相反，链接保持(on-link)或者本地前缀(Link-lokale)通常用于设备的识别，其能够通过没有路由器的本地子网内部的另外的设备实现。有利的是，在由IPv4地址计算IPv6地址时排除本地链接前缀。
上级的名称服务服务器尤其可以是域名系统服务器，域名系统服务器向基于IPv6的通信设备的DNS客户端提供名称服务。优选的是，名称服务代理器包括用于动态DNS的客户端，借助客户端请求在上级的名称服务服务器中存储由IPv4地址计算出的IPv6地址和所分配的设备名称的对应关系。通过这种方式，本发明能够通过备份到原则上存在的组件上来实现。
根据本发明的一个特别有利的设计方案，地址转换单元集成到路由器中，路由器具有用于处理IPv4互联网协议栈的第一交换功能单元和用于处理IPv6互联网协议栈的第二交换功能单元。每个交换功能单元通过通信网络适配驱动器对子网控制设备的通信网络适配器进行访问。此外，每个通信网络适配器能够包括发送和接收单元以及用于协调对通信介质的访问的控制单元。此外，子网控制设备优选地包括名称服务代理器和具有集成的地址转换单元的路由器。在此，子网控制设备通过第一通信网络适配器与一组通信设备在其子网内部连接。子网控制设备通过第二通信网络适配器与上级的名称服务服务器连接。
用于工业自动化系统的根据本发明的控制设备设计和设置用于执行根据相应的前述设计方案的方法并且包括至少一个第一和第二发送和接收单元。此外，该控制设备具有：至少一个第一和第二控制单元，用于协调通信介质的访问；第一交换功能单元，用于处理IPv4互联网协议栈；和第二交换功能单元，用于处理IPv6互联网协议栈。此外设置有名称或配置服务组件，其设计和设置用于，为一组通信设备在子网内部获取IPv4地址和分配的设备名称。
此外，根据本发明的控制设备包括名称服务控制单元，其设计和设置用于，为一组通信设备从分配给子网的IPv6前缀和通信设备的IPv4地址分别计算出IPv6地址。此外，名称服务控制单元还设计和设置用于，为一组通信设备从通信设备的IPv4地址和计算出的IPv6地址测定出地址转换规则。此外设置有名称服务代理器，其设计和设置用于，为一组通信设备在工业自动化系统的至少一个上级的名称服务服务器中请求获取计算出的IPv6地址和分配的设备名称。此外，控制设备包括地址转换单元，其设计和设置用于，使用地址转换规则，以用于在IPv4地址和IPv6地址之间进行地址转换。
附图说明
接下来根据实施例参考附图进一步说明本发明。图中示出：
图1是包括基本上基于IPv4的多个单元的工业自动化系统，其具有工程系统、管理系统和DNS服务器，
图2是用于地址转换单元的控制器的细节图。
具体实施方式
在图1中示出的工业自动化系统包括用于对自动化设备进行规划的工程系统101，用于对其进行监控的管理系统102，DNS服务器(域名系统)103和具有各一组自动化设备202的多个类型相同的单元200。工程系统101，管理系统102和DNS服务器103通过工业通信网络100彼此连接，在该网络中根据IPv6传输数据。
自动化设备202在本实施例中包括输入/输出单元以及通信设备，输入/输出单元分别与待控制的或者待监控的设备连接，通信设备仅仅是基于IPv4的。除了输入/输出单元202之外，这些单元200还分别包括控制设备202，其通过单元独有子网203与输入/输出单元202连接并且对其进行控制或者监控。此外，控制设备201利用基于IPv6的工业通信网络100与单元200连接并且为此包括集成的路由器，其具有用于处理IPv4堆栈和IPv6堆栈的组合的IP堆栈功能单元211。此外控制设备201分别具有第一和第二通信网络适配器210，其通过这些通信网络适配器与工业通信网络100或者与相应的单元独有子网203连接。每个通信网络适配器210能够包括通过PHY功能单元实现的发送和接收单元以及用于协调对通信介质的访问的、通过MAC功能单元实现的控制单元。控制设备201的IP堆栈功能单元211分别通过通信网络适配驱动器对通信网络适配器210进行访问。
此外，集成到控制设备201中的路由器分别包括地址转换单元212，其设置用于在IPv4地址和IPv6地址之间进行地址转换。控制设备201附加地分别具有名称或配置服务组件204，其在相应的子网203内部获取输入/输出单元202的IPv4地址和所分配的设备名称。分别为地址转换单元212分配一个适配的NAT64控制器213(网络地址转换)，其由单独地分配给相应的单元200的IPv6前缀和输入/输出单元202的IPv4地址分别计算出虚拟的IPv6地址。为了向NAT64控制器213提供所分配的IPv6前缀，分别设置一个前缀服务组件215，其为此对通信网络适配器210进行访问。由计算出的虚拟IPv6地址和输入/输出单元202的IPv4地址，相应的NAT64控制器213为输入/输出单元202在其子网203内部计算出地址转换规则，其通过所分配的地址转换单元212来使用。
此外，控制设备201分别包括用于动态DNS的DDNS客户端216，其为其单元200的输入/输出单元202在DNS服务器103中请求获取计算出的虚拟IPv6地址和所分配的设备名称。在成功的请求时，计算出的IPv6地址和所分配的设备名称存储在DNS服务器103中，该服务器将其作为名称服务尤其提供给在基于IPv6的工业自动化网络100内部的DNS客户端。
名称或者配置服务组件214可以设计成零配置名称服务的名称服务组件并且根据名称解析协议来获取相应的输入/输出单元202的IPv4地址以及所分配的设备名称。例如，IPv4地址和所分配的设备名称可以根据发现和配置协议(DCP)或者组播域名系统协议(mDNS)来获取。根据一个可替换的设计方案，名称或配置服务组件214可以设计作为配置服务组件，并且根据动态主机控制协议，Version 4，Option 61借助相应的通信设备侧特有的DHCP客户标识符来获取相应的输入/输出单元202的设备名称。当通过DHCP配置服务组件为输入/输出单元202分派IPv4地址时，在这种情况中在该处已经存在相应的地址信息并且不需要被特别地询问。
为了计算相应的虚拟IPv6地址，优选地分别形成接口标识符，接口标识符的最高32位具有能调节的值并且标识符的最低32位由相应的IPv4地址形成。通过这种方式，当附加地由基于IPv6的自动化或者通信设备在该单元中运行时，避免了与通过无状态地址自动配置(SLAAC)由MAC地址形成的IPv6地址的冲突。因此，所描述的对虚拟的IPv6地址的计算实现了已执行所述的地址转换的基于IPv4的设备与基于IPv6的自动化或通信设备的并行运行。这尤其在对于基于IPv4和IPv6的设备使用公共前缀时也适用。
此外，地址转换不必为每个基于IPv4的设备单独地激活，而是其可以取而代之地对于在单元或者子网内部的所有基于IPv4的设备使用。这实现了显著降低待通过相应的地址转换单元212使用的地址转换规则的数量。有利的是，每个单元200都被分配有特殊的IPv6前缀，其仅仅用于由IPv4地址计算出的虚拟IPv6地址并且是链接关闭前缀。相反，本地链接或者链接保持前缀在由IPv4地址计算虚拟的IPv6地址时被排除。
尤其通过适配的NAT64控制器231确保，即使在相同的串联安装的单元200中，具有相同的IPv4地址的所有输入/输出单元200都被分配彼此不同的虚拟IPv6地址。确切地说，为此为单元200分配不同的IPv6前缀。该IPv6前缀能够尤其借助前缀委派(PD)根据IETF.RFC 6147自动指派给代表子网的单元200。
一旦设备名称例如通过删除或者添加被改变，或者一旦前缀被改变，适配的NAT64控制器213重新计算地址。如在图2中可见，前缀服务组件215为此分别提供当前的IPv4前缀信息221和IPv6前缀信息222给适配的NAT64控制器213。名称或配置服务组件214附加地将IPv4地址信息223和设备名称说明224传输给适配的NAT64控制器213。通过其规则管理器217，适配的NAT64控制器213相应地控制被分配的地址转换单元211。规则管理器217分别生成地址转换必需的规则并且此外删除过时的规则。
适配的NAT64控制器借助其源记录管理器218控制相应的DDNS客户端216。源记录管理器218监控，在DNS服务器103中注册、更新或者删除对于计算出的虚拟IPv6地址225的AAAA源记录。此外，源记录管理器也处理在DNS服务器中注册或者解除注册源记录时可能的错误。
根据在DNS服务器103中记载的设备名称，基于IPv6的设备能够询问输入/输出单元202的虚拟IPv6地址225，从而对其进行唯一的访问。虚拟的IPv6地址225对于使用者和应用来说是不可见地在控制设备201中通过NAT64转换成用于常用通讯的IPv4地址。

Claims (19)

1.一种用于在工业自动化系统内部进行数据传输的方法，其中，
所述工业自动化系统包括至少一个子网，所述子网具有一组通信设备和一个子网控制设备，
分配给所述子网控制设备的名称或配置服务组件为所述一组通信设备获取IPv4地址和所分配的设备名称，
为所述一组通信设备从分配给所述子网的IPv6前缀和所述通信设备的所述IPv4地址分别计算出IPv6地址，
对于所述一组通信设备，分配给所述子网控制设备的名称服务代理器在所述工业自动化系统的至少一个上级的名称服务服务器中请求获取所计算的所述IPv6地址和所分配的所述设备名称，
所计算的所述IPv6地址和所分配的所述设备名称在请求成功时存储在所述上级的名称服务服务器中，
为所述一组通信设备从通信设备的所述IPv4地址和计算出的所述IPv6地址测定出地址转换规则，
测定出的所述地址转换规则通过分配给所述子网控制设备的地址转换单元用于在所述IPv4地址和所述IPv6地址之间进行地址转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述子网控制设备包括零配置名称服务的名称服务组件，并且其中，所述子网控制设备的所述名称服务组件为所述一组通信设备根据名称解析协议获取IPv4地址和所分配的设备名称，并且其中，用于所述一组通信设备的所述IPv4地址和所分配的所述设备名称通过所述子网控制设备的所述名称服务组件根据发现和配置协议或者组播域名系统协议来获取。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述子网控制设备包括配置服务组件，并且其中，所述子网控制设备的所述配置服务组件根据动态主机控制协议，第4版，第61项通过相应的通信设备侧特定的DHCP客户标识符来获取设备名称。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，仅仅在使用IPv4地址的情况下为所述一组通信设备的至少一部分实现在所述子网内部的在交换层面上的数据传输。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，仅仅对于分别具有交换功能单元的通信设备分别由分配给所述子网的IPv6前缀和IPv4地址计算IPv6地址，所述交换功能单元仅仅设计和设置用于对IPv4互联网协议栈进行处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，为了计算相应的IPv6地址分别形成接口标识符，所述接口标识符的最高32位具有能调节的值并且所述标识符的最低32位由相应的IPv4地址形成。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述子网具有单独分配的IPv6前缀，该IPv6前缀仅仅用于由IPv4地址计算出的IPv6地址。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述子网具有单独分配的IPv6前缀，该IPv6前缀仅仅用于由IPv4地址计算出的IPv6地址。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，分配给所述子网的用于由IPv4地址计算出IPv6地址的IPv6前缀是链接关闭前缀。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在由IPv4地址计算所述IPv6地址时排除本地链接前缀。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，将具有所述一组通信设备和一个所述子网控制单元的子网分配给所述工业自动化系统的单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述工业自动化系统具有多个单元，并且其中每个所述单元都分配有至少一个独有的IPv6前缀。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述上级的名称服务服务器是域名系统服务器，所述域名系统服务器向基于IPv6的通信设备的DNS客户端提供名称服务。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述名称服务代理器包括用于动态DNS的客户端，借助该客户端请求在所述上级的名称服务服务器中存储由所述IPv4地址计算出的IPv6地址和所分配的设备名称的对应关系。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，地址转换单元集成到路由器中，所述路由器具有用于处理IPv4互联网协议栈的第一交换功能单元和用于处理IPv6互联网协议栈的第二交换功能单元。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，每个交换功能单元通过通信网络适配驱动器访问所述子网控制设备的通信网络适配器，并且其中，每个通信网络适配器包括发送和接收单元和用于协调对通信介质的访问的控制单元。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述子网控制设备包括所述名称服务代理器和所述路由器，所述路由器具有集成的所述地址转换单元，并且其中，所述子网控制设备经由第一通信网络适配器与所述一组通信设备在所述子网控制设备的子网内部连接，并且其中，所述子网控制设备经由第二通信网络适配器与所述上级的名称服务服务器连接。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述通信设备分别集成到自动化设备中或者集成在所述工业自动化系统的输入/输出单元中。
19.一种用于自动化系统的控制设备，所述控制设备用于执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法，具有：
至少一个第一和第二发送和接收单元，
至少一个第一和第二控制单元，用于协调对通信介质的访问，
第一交换功能单元，用于处理IPv4互联网协议栈，
第二交换功能单元，用于处理IPv6互联网协议栈，
名称或配置服务组件，所述名称或配置服务组件设计和设置用于，为在子网内部的一组通信设备获取IPv4地址和分配的设备名称，
名称服务控制单元，所述名称服务控制单元设计和设置用于，为所述一组通信设备从分配给所述子网的IPv6前缀和所述通信设备的IPv4地址分别计算出IPv6地址，其中所述名称服务控制单元还设计和设置用于，为所述一组通信设备从所述通信设备的IPv4地址和计算出的IPv6地址测定出地址转换规则，
名称服务代理器，所述名称服务代理器设计和设置用于，为所述一组通信设备在所述工业自动化系统的至少一个上级的名称服务服务器中请求获取所计算的IPv6地址和所分配的设备名称，
地址转换单元，所述地址转换单元设计和设置用于，使用所测定的地址转换规则用于在IPv4地址和IPv6地址之间进行地址转换。
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