CN108370335A - 以太网虚拟连接的实时分布的引擎框架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开涉及一种用于监控安全关键网络的确定性特征的系统。系统具有与运行确定性单元功能的处理器‑存储器单元或多核系统(其中一个或多个核具有以太网交换机功能并且一个或多个专用核具有确定性单元功能)相关联的以太网交换机、以太网交换机和与确定性单元相关联的处理器‑存储器单元之间的通信信道或运行以太网交换机功能的一个/多个核与运行确定性单元功能的一个/多个核之间的核间通信信道以及相邻的交换机之间的以太网虚拟连接(EVC)，相关联的确定性单元通过以太网虚拟连接与彼此通信。

Description

以太网虚拟连接的实时分布的引擎框架
技术领域
本公开的领域关于实时分布的引擎框架，并且尤其涉及用于安全关键网络中所使用的以太网虚拟连接的实时分布的确定性单元框架。
背景技术
如今可利用许多安全关键工业自动化和控制网络应用，其在可靠性和确定性方面有严格的要求。这些要求是根据各种参数诸延迟、跳动、误码率或分组误码率、数据包丢失等等定量定义的。这些参数是在为特定安全关键网络设计的网络架构中的各种交换机之间终端到终端测量的。此类安全关键应用的网络架构师打算在他们的网络解决方案中使用以太网作为网络技术。
作为广泛使用的LAN技术，以太网具有主要由IEEE和城域以太网论坛定义的各种标准。多年来，这些标准一直在不断发展。然而，可在安全关键网络应用中使用的确定性以太网技术的标准仍在开发中。
在没有可以确保满足可靠性和确定性要求的标准的情况下，网络架构遵循一套最佳实践。这套最佳实践包括以下内容：首先，网络设计使用在有助于减少对延迟敏感的流量的延迟的最新的以太网标准中可用的网络工程技术。这些技术包括：在源终端设备处进行流量整形、在所有中间网络设备入口处进行流量监管、在所有中间网络设备的入口处进行流量整形、用根据预期的流量速率预先配置的这些连接的带宽参数进行专用终端对终端连接、VLAN、基于IEEE802.1p基优先级和区分服务的QoS、禁用MAC学习以缩短时间。
另一种最佳实践为选择终端站之间的跳数较少的网络拓扑结构以便减少链接之间的传播延迟以及排队和处理延迟。另一种最佳实践为检查数据包验证使得在有错误的数据包到达目的地终端设备之前将有错误的数据包丢弃。
又一种最佳实践包括经由从源设备到终端设备的互斥独立路径进行数据包传输，以防止数据包丢弃和数据包丢失。IEC标准62439-3中提出了这种并行的互相独立的冗余路径和选择在接收方处首先接收以便确保满足延迟绑定和安装包错误检查两个目标均满足的有效数据包的方法，并且还可以根据可靠性要求延伸至三个或更多个冗余路径。
又一种实践为使用诸如网络演算和延迟演算的技术理论地分析网络，以便理论地计算延迟、跳动等等的上限并重新设计网络，如果理论分析的结果要求相同的话。另外，在现有技术中，以下为另一种实践，即使用网络模拟器工具模拟网络以获得满足确定性和可靠性的计划的目的的附加保证以及如果模拟结果要求相同则重新设计网络。
在专利US7023893中的一项中，在发送节点和接收节点之间测量诸如延迟和跳动的参数以确定用于发送节点和接收节点之间的数据包的传输的最佳的数据包大小和最佳的数据包之间的间隔。该文献进一步指示，如果测量值指示将超过预期的最大数据包损失，则向上调整带宽分配。然而，该专利缺乏以太网虚拟连接的建立并且缺乏两个级别的阈值：用于检测的内阈值和在其之前完成控制行为的外阈值。另外，该专利需要仅在延迟和跳动测量的基础上采取校正行为。其缺乏对数据包错误和数据包损失的测量。
为克服至少以上缺点，出现了对采取校正行为以控制此环境中的可靠性的需求。
发明内容
本发明公开的主要目的在于创建这样的系统，其实时监控安全关键系统的确定性特征并且采取校正行为以确保并控制确定性特征在网络操作的任何时候均得到满足。
为满足前述目的，公开了实时的确定性单元。该单元集合在线测量以太网虚拟连接(EVC)的确定性和可靠性参数以及采取连续的校准行为直到控制EVC的确定性和可靠性的目的得以满足。因此，其赋予对现有技术中的最佳实践的确定性和可靠性的附加保证。
在本发明公开的实施例中，公开了用于监控安全关键网络的确定性特征的方法。确定以太网虚拟连接(EVC)上的多个参数，并且检测超过内阈值的参数。将检测到的参数的结果传达到相关联的确定性单元，使得控制具体的参数。
根据本发明公开的实施例，多个参数至少包括终端对终端延迟、每跳的延迟、终端对终端跳动、每跳的跳动、终端对终端误帧率、每跳的误帧率、终端对终端丢帧率、每跳的丢帧率、发送终端站中的协议栈的每层处的延迟、接收终端站中的协议栈的每层处的延迟。
根据本发明公开的另一个实施例，内阈值包括结果，超过该结果开始进行控制。
根据本发明公开的另一个实施例，所述EVC的参数通过与确定性单元相关联的以太网交换机确定。
根据本发明公开的又一个实施例，检测步骤包括外阈值。
根据本发明公开的再一个实施例，外阈值包括结果，在该结果之前完成控制。
根据本发明公开的实施例，公开了监控安全关键网络的确定性特征的系统。以太网交换机与处理器-存储器单元相关联。另外，在以太网交换机和与其相关联的处理器-存储器单元之间建立通信信道，该信道运行确定性单元功能。以太网虚拟连接(EVC)设置在相邻的交换机之间，相关联的确定性单元通过该以太网虚拟连接彼此通信。
根据又一个实施例，以太网交换机为路由器、发送方终端站的以太网接口卡或接收方终端站的以太网接口卡。
根据另一个实施例，系统可为多核系统，其中一个或多个核执行以太网交换机的功能，并且存在运行确定性单元逻辑的一个或多个专用核。在这种情况下，具有以太网交换机的功能的一个/多个核和具有确定性单元的功能的一个/多个核之间通过核间通信机构进行通信。
附图说明
参考附图描述具体实施方式。在附图中，附图标记中的(一个或多个)最左数字表示附图标记首先出现的附图。在所有附图中，相同的附图标记用于表示相似的特征和部件。
图1示出根据本公开的实施例的系统的现有技术框图。
图2示出根据本公开的实施例的本系统的框图。
具体实施方式
下面的讨论提供了合适的计算环境的简要的一般描述，在该计算环境中可以实施本公开的各种实施例。在计算机可执行机构的一般环境中描述方面和实施例。本文所述实施例可与其他系统配置一起实践，包括因特网电器、手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、网络PC、迷你计算机、大型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)等等。实施例可以在具体编程、配置或构造为执行下面详细解释的计算机可执行机构中的一种或多种的专用计算机或数据处理器中实现。
现在将参考附图描述示例性实施例。然而，公开可以许多不同的形式实现。并且不应被解释为对本文所阐述的实施例的限制；相反地，提供这些实施例使得该公开将变得彻底和完整并且其范围将完全传递给本领域的技术人员。附图中示出的特定示例性实施例的具体实施方式中所使用的术语不旨在为限制性的。在附图中，相似的附图标记指相似的元件。
说明书在若干位置可涉及“一个(a)”、“一个(one)”或“一些”实施例。这并不一定意味着每个此类参考为相同的(一个或多个)元件，也不意味着特征仅适用于单个实施例。还可将不同实施例的单个特征进行组合以提供其他实施例。
如本文所使用的，除非另外明确说明，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式。应当进一步理解，当在该说明书中使用时，术语“包括(includes)”、“包括(comprises)”、“包括(including)”和/或“包括(comprising)”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可存在中间元件。此外，如本文所使用的，“连接”或“耦接”可包括无线地连接或耦接。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出的项目中的一个或多个的任何或所有组合和布置方式。
除非另外定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本公开所属的领域的普通技术人员所通常理解的相同的意义。应当进一步理解，诸如通常使用的词典中定义的那些术语应被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不会被解释为理想化或过度正式的意义，除非本文中明确地如此定义。
附图描绘了仅示出一些元件和功能实体的简化结构，这些元件和功能实体全部为逻辑单元，它们的实施方式可不同于所示出的那样。所示连接为逻辑连接；实际的物理连接可不同。对于本领域的技术人员而言显而易见的是，结构还可包括其他功能和结构。应当理解，通信中所使用的功能、结构、元件和协议与本公开无关。因此，不必在这里更详细地讨论它们。
此外，附图中所描述的和所描绘的所有逻辑单元均包括单元起作用所需的软件和/或硬件部件。另外，每个单元可在其自身内包括一个或多个部件，这是含蓄理解的。这些部件可可操作地耦接到彼此并且可被配置为与彼此进行通信以执行所述单元的功能。
图1示出根据本发明的实施例的系统的现有技术框图。如图所示，存在两个终端站101、102和网络域名，其中测量安全关键网络中的确定性和可靠性参数。在两个终端站之间建立用于安全关键工业自动化或控制系统的网络架构云103，以定量地测量参数以便确保确定性和可靠性。
本发明公开公开了实时确定性单元，其应分布在发送终端站的以太网网络接口、网络中的所有以太网交换机和接收终端站的以太网网络接口之间，并且应当负责采取校正行为以确保当网络操作时在任何时候均满足确定性和可靠性目的。
实时的分布的确定性单元在下面的段落进行描述。在携带数据流量的以太网虚拟连接(EVC)上进行对下面给定的参数的在线测量以满足确定性和可靠性目的：终端对终端延迟、每跳的延迟、终端对终端跳动、每跳的跳动、终端对终端误帧率、每跳的误帧率、终端对终端丢帧率、每跳的丢帧率、发送终端站中的协议栈中的每层处的延迟、接收终端站中的协议栈中的每层处的延迟。
根据实施例，确定是否所有前面提及的参数均在内阈值内或是否某个参数已超出内阈值。内阈值是指上限内的值，该值的目的在于当测量值超出内阈值时可开始校正行为并且在超出外阈值之前完成校正行为。假设网络已经以诸如最大延迟、跳动、帧损失和帧错误的参数的量化值可以归于网络中的每跳或发送终端站和接收终端站中的协议中的每层以满足总体确定性和可靠性目的的方式进行设计，并且对其上限定义阈值(任选地被称为外阈值)。
随后，完成与确定性单元的附近的实例的通信和处理以发现超过内阈值的根本原因。根据实施例，采取各种行为以控制网络中的确定性和可靠性。这些行为可包括执行下列行为中的一个或多个：供应附加的缓冲区、提高选择性EVC的优先级、修改发送终端站的以太网接口的流量整形器的属性、修改中间交换机的出口接口的流量整形器的属性、修改发送终端站的以太网接口处的EVC的调度程序参数，修改中间交换机的EVC的调度程序参数或修改发送终端站或接收终端站处的协议栈中的序列或缓冲区。进一步的行为包括在发送终端站和接收终端站之间使用已通过一套独立和互斥的交换路径预先配置为发送终端站和接收终端站之间的冗余的一部分的另选的EVC。
根据优选的实施例，重复上述步骤直到所有的测量参数均落入其相应的内阈值内。
图2示出根据本公开的实施例的系统的框图。如图所示，网络中的所有交换机(交换机208、交换机209、交换机210)应计算通过其的所有EVC的确定性和可靠性参数并且向与其相关联的确定性单元实例发送信息。系统可任选地为多核系统，其中一个或多个核执行以太网交换机的功能并且存在运行确定性单元逻辑的一个或多个专用核。在该情况下，具有以太网交换机的功能的一个/多个核和具有确定性单元的功能的一个/多个核之间通过核间通信机构进行通信。
可在邻近的交换机之间建立专用EVC连接，以便使得与不同交换机相关联的确定性单元实例201、202、203、204、205之间能够进行通信。这些EVC连接被任选地称为确定性和可靠性控制EVC。虽然这些EVC将邻近的交换机物理地连接，然而，由于它们为用于相邻的确定性单元之间的通信的专用EVC，所以这些EVC被认为直接虚拟地连接确定性单元。
根据另外的实施例，确定性单元的所有出现应预先编程有所有数据EVC的内阈值和外阈值。数据EVC为不是确定性控制EVC的那些EVC，并且实际上为通过交换机携带必须确保确定性和延迟的数据的那些EVC。与已被识别为确定性和可靠性参数超过内阈值的根本原因的一个或多个交换机或以太网网络接口卡相关联的(一个或多个)确定性单元实例采取校正行为。继续进行在线测量数据EVC的确定性和可靠性参数、通过确定性和可靠性控制EVC与邻近的交换这些参数以及采取校正行为的步骤，直到参数得以控制(即在内阈值界限内)。在附图中，(用不同颜色的代码)不同地示出不同类型的连接。比如，不同地示出用于以太网交换机或以太网接口卡和其相关联的确定性单元实例之间的通信的信道。第二种类型的连接为用于邻近的/相邻的以太网交换机/以太网接口卡的确定性单元实例之间的EVC，即确定性和可靠性控制通信EVC。图2所示的第三种连接用于需要确定性和可靠的通信的两个终端系统206、207之间的EVC，即数据EVC。
本发明公开具有下面的优点。该发明能够在已经用最佳实践设计为满足确定性和可靠性目的的安全关键网络中在任何时候控制数据EVC的确定性和可靠性参数。不同于以太网交换机或以太网网络接口卡(NIC)的处理器-存储器单元或核上运行确定性单元应当确保进行数据EVC的处理的以太网交换机或NIC上的处理性能不应受到影响。
出于说明和描述目的给出了本发明的实施例的上述描述。其并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述教导内容，可以做出许多修改和变型。本发明的范围不受该具体实施方式限定，而是由所附权利要求限定。
如本领域的技术人员将理解的，本发明可实施为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可以采取完全硬件实施例、软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的形式，所有这些在本文中通常都被称为“电路”或“模块”。此外，本发明可采取具有嵌入介质中的计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式。
应当理解，流程图图示和/或框图中的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令实现。可将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器，以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令形成用于实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。
指令也可被加载到计算机或如扫描仪/检查扫描仪的其他可编程数据处理设备上，以使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的步骤。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的示例性实施例。虽然采用了特定的术语，但是只在普通和说明的意义上运用这些术语而不具有限制目的，本发明的范围由以下权利要求限定。

Claims (14)

1.一种用于监控安全关键网络的确定性特征的方法，所述方法包括：
确定以太网虚拟连接(EVC)上的多个参数；
检测超过内阈值的所述参数；
向相关联的确定性单元传达检测的参数的所述结果，使得控制所述具体参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个参数至少包括终端对终端延迟、每跳的延迟、终端对终端跳动、每跳的跳动、终端对终端误帧率、每跳的误帧率、终端对终端丢帧率、每跳的丢帧率、发送终端站中的协议栈的每层处的延迟、接收终端站中的协议栈的每层处的延迟。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述内阈值包括结果，超过所述结果开始进行控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述EVC的所述参数通过与所述确定性单元相关联的以太网交换机确定。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测步骤包括外阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述外阈值包括结果，在所述结果之前完成所述控制。
7.一种用于监控安全关键网络的确定性特征的系统，所述系统包括：
以太网交换机，所述以太网交换机与处理器-存储器单元相关联；
通信信道，所述通信信道在所述以太网交换机和运行所述确定性单元功能的与所述以太网交换机相关联的所述处理器-存储器单元之间；以及
相邻的交换机之间的以太网虚拟连接(EVC)，所述相关联的确定性单元通过所述以太网虚拟连接与彼此通信。
8.根据权利要求7所述的系统，其中多核系统具有运行以太网交换机功能的一个或多个核和运行确定性单元功能的一个或多个专用核。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述以太网交换机为路由器。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述以太网交换机为发送方终端站的以太网接口卡。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述以太网交换机为接收方终端站的以太网接口卡。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述以太网交换机为路由器。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述以太网交换机为发送方终端站的以太网接口卡。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述以太网交换机为接收方终端站的以太网接口卡。
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