CN110249591B - 用于优化利用测试数据包的冗余协议的故障识别的方法 - Google Patents

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Abstract

用于运行网络的方法，其中，在网络中的各网络设备经由至少一个传输介质通过传输有效数据包来相互交换有效数据并且为了降低故障风险应用至少一个冗余协议，其中，所述至少一个冗余协议实施传输测试数据包以用于探测在网络中的故障，其中，本发明将已知的利用测试数据包的动态冗余协议方法与使用帧抢占或者时隙方法按照三种备选的或能彼此组合的方式和方法相组合，并且本身单独地亦或以彼此组合地看，这相应能实现显著地减少在网络中的故障的最坏情况识别时间，并且由此在故障情况下减少最坏情况切换时间。

Description

用于优化利用测试数据包的冗余协议的故障识别的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行网络的方法，其中，在网络中的各网络设备经由至少一个传输介质通过传输有效数据包来相互交换有效数据，并且为了降低故障风险应用至少一个冗余协议，其中，所述至少一个冗余协议实施传输测试数据包用于探测在网络中的故障。
背景技术
已知用于运行网络的方法，其中，在网络中的各网络设备经由至少一个传输介质相互地以及从其他设备和向其他设备(如传感器、执行器以及诸如此类的设备)交换数据，并且为了降低故障风险应用至少一个冗余协议，其中，所述至少一个冗余协议实施循环地传输测试数据包以用于探测在网络中的故障。网络、特别是以太网数据网例如形成在生产线中用于工业监视和用于控制网络的技术基础。在所述网络中的故障或者说失灵典型地与在生产率或者控制或监视可靠性上的损失相关联。
一方面，为了降低故障风险，冗余协议、例如媒体冗余协议(MRP)或设备级环网(DLR)证明是可行的。典型地，所述冗余协议除了在各网络设备与在网络中的其他设备之间借助于(也称为帧的)有效数据包来交换(也称为生产数据的)有效数据之外，也以循环地传输(也称为测试帧或测试包的)测试数据包以用于探测在网络中的故障为前提。然而，根据各网络设备相互间和必要时也与在网络中的其他设备交换的数据量，以及根据与此相关联的、由于所传输的有效数据包的所述至少一个传输介质的负荷程度，可能显著地延迟测试数据包的传输，这将负面地影响在冗余的网络路径上在故障情况下的最坏情况切换时间。
另一方面，根据IEEE802.3br和IEEE802.1Qbu使用帧抢占(Frame Preemption)能实现中断其他数据(有效数据)的传输，以便因此改善对于有效数据包的确定的通信类别的延迟时间。
根据IEEE802.1Qbv已知，借助于时分多址方法(TDMA)根据在以太网帧的虚拟局域网(VLAN)报头中的服务等级(CoS)优先级规定通信周期和对传输介质的访问，以便实现具有低的延迟时间和偏差(抖动)的硬实时性要求。
冗余协议的各测试数据包通常在传输时与其他数据(有效数据)竞争对所述至少一个传输介质(例如数据线、无线电链路或诸如此类的；在以太网应用中主要是有线连接的传输介质)的访问。随着增加地使用可供使用的带宽以及随着在网络中、特别是在环形网络中网络设备的数量增加，有效数据可能越来越多地导致在转发测试数据包时的延迟。因此，通过在每个网络设备上转发测试帧时的最大延迟得出利用测试数据包的冗余协议的最坏情况识别时间和切换时间。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于运行网络的方法，利用该方法来避免开头所述的缺点。特别是，如果确认了所述至少一个传输介质的中断，则应当转换到其他传输路径上的时间应当减小。
该目的通过以下按照本发明的特征实现。
本发明将已知的利用测试数据包的动态冗余协议方法与使用帧抢占或者时隙方法按照三种备选的或能彼此组合的方式和方法相组合。本身单独地亦或彼此组合地看，这相应能实现显著地减少在网络中的故障的最坏情况识别时间，并且由此在故障情况下减少最坏情况切换时间。
为了降低故障风险，冗余协议MRP或DLR例如在环形网络中证明是可行的。在此，配置为环主机的网络设备通过经由该环定期地发送测试数据包的方式来监视网络。测试数据包被每个参与到冗余协议中的网络设备接收并且转发，直至该测试数据包又到达环主机。如果测试数据包未到达，则在环形网络中存在故障并且激活备选的传输路径。
按照第一解决方案，按照本发明规定，中断有效数据包的传输并且代替该有效数据包的继续传输而传输测试数据包并且在此之后才实施该有效数据包的剩余部分的传输。
通过使用帧抢占，测试数据包可以被冗余协议作为快速数据(Expressdaten)来处理并且可以中断有效数据包的传输。即使已经开始传输有效数据包，该中断仍能实现优先传输测试数据包。在完成测试数据包的传输之后，将恢复并且完成有效数据包的传输。
通过中断有效数据的传输以及优先转发测试数据包，在参与冗余协议的网络设备中的测试数据包的停留时间减少到通过帧抢占机制所定义的最小值。这导致测试数据包的停留时间与有效数据的长度无关，由此在故障情况中导致最坏情况识别时间和切换时间显著减少。
按照第二解决方案的第一备选方案，按照本发明规定，为传输测试数据包预留可预定的时间范围，其中，在该可预定的时间范围之内(与通信类别或分配给有效数据包的优先级无关地)不传输有效数据包。因此，可预定的时间范围总是可供传输测试数据包使用，所述时间范围至少大到在该预定的时间范围之内可以传输测试数据包。也可以考虑的是，为传输测试数据包所预留的时间选择地比实际传输所需要的时间更长。在这种情况中确保了，测试数据包以最高的优先级和优先权在传输有效数据包之前传输。然而，如果预定的时间范围应该大于为传输测试数据包所需要的时间，则由于以下原因可供使用的带宽未被优化地充分利用：因为在预定的时间范围(时隙)之内在发送了测试数据包之后仍有可供使用的时间来传输有效数据包、特别是较低优先级的有效数据包。
因此，按照第二解决方案的第二备选方案，按照本发明规定，为传输测试数据包预留可预定的时间范围，其中，在所预定的时间范围之内还可以进行有效数据的传输并且所述测试数据包相对于有效数据包以更高的传输优先级来传输。如果在这样的情况下，在预定的时间范围之内在优先传输测试数据包之后在所述时隙之内仍有时间可供使用，则也可以在该时隙之内传输有效数据包、特别是较低优先级的有效数据包或者说处于等待队列中的有效数据包。这意味着，带宽被优化地充分利用并且在传输其他有效数据包之前并不需要等待所预定的时间范围到期。
为此，在一种实施方式中规定，首先由各网络设备传输测试数据包并且在此之后才由至少一个网络设备开始传输有效数据包。
通过在可预定的(也被称为时窗或时隙的)时间范围之内不传输有效数据包，以有利的方式确保：有效数据包绝对不会对传输测试数据包造成影响或延迟。
在使用例如IEEE802.1Qbv的时隙方法的情况下，由于已经处于发送中的有效数据包(有效数据帧)甚至可以完全消除在网络设备上转发测试数据包(测试帧)时的延迟。测试数据包通过该包的可识别特征关联到类(即所谓的通信类型)，于是借助于时隙方法(如IEEE802.1Qbv)为所述类配置可预定的时隙。于是，在一个这样的时隙中无论是在一个类之内和/或跨类地优先传输测试数据包。因此，该解决方案的优点在于优化最坏情况识别时间和切换时间以及因此在于使用如提到的“增强预定通信”(IEEE802.1Qbv)的时隙方法，以便在该环上测试数据包的传输时刻通过专用时隙在进行转发的网络设备中能实现无附加的等待时间。因此，为测试帧(测试数据包)预留网络容量中可供使用的带宽的一可预定部分。为了优化使用故障识别时间段，环主机与设置用于测试帧的时隙的起点同步地发送测试帧。
在本发明的进一步扩展方案中，在配置为主机的网络设备中测试数据包的产生在时间上与设置用于测试数据包的时隙的开放相耦合。由此，对于传输测试数据包实现尽可能最佳地使用时窗。
相对于使用了巨型帧(即过长的数据包)的已知的现有技术，基于长度独立性同样能使最坏情况识别时间和切换时间不受影响。
最后，本发明不受限于环冗余协议，而是在与网络的拓扑结构无关地在基于使用测试数据包的冗余协议上拓展。
因此，根据本发明以有利的方式总是通过最小化在各网络设备上测试数据包的等待时间来快速地识别故障(即出于任何原因的传输中断：例如电缆断裂、被拔出的或损坏的插塞连接器、在网络设备中的电流故障或诸如此类)，从而最小化直至识别出故障的时间。
一个示例计算可以阐明本发明的贡献。在DIN EN 62439-2:2010-09(MRP)第9.5.4章节中，针对50个环参与者实施了最坏情况计算，其切换时间的结果为26.2ms。如果对TQueue指定在帧抢占时的最小帧框架(Framelets)的值64Byte/5.12μs，则结果仅还为14.5ms。通过使用时隙方法TQueue可以降到0μs，于是，切换时间仅仍为14.0ms。
附图说明
下面参考各附图借助于一个实施例更详细地描述上面概述的两种解决方案。
具体实施方式
图1示例性地示出一种形式为环形拓扑的网络，在所述网络中存在四个网络设备NWG。这些网络设备NWG经由有线连接的传输介质、特别是数据线DL以数据传输为目的彼此连接。其目的在于：为了应用冗余协议、例如应用媒体冗余协议(MRP)或设备级环网(DLR)，将一个网络设备配置为(在图1中标记为M的)主机，而其余的各网络设备NWG配置为(在图1中标记为R1、R2和R3的)客户端。于是，按照本身已知的方式，如果借助于所发出的测试数据包在该网络之内确认了错误，则可以将其他的传输区段切换到传输有效数据(以及测试数据包)，从而根据已知的冗余协议，目前为止配置为客户端的另一个网络设备NWG也可以承担主机的功能。也在此应用的该切换机制原则上已知，从而在这一点上不必更详细地探讨。
在图1中示例性地示出了四个网络设备NWG，其中，在实践中通常存在多于四个网络设备NWG，偶尔存在少于四个网络设备NWG。
在图2中示出了在按照图1的环形拓扑之内的测试数据包TP的进程。配置为主机的网络设备NWG向下一个网络设备NWG(在此为客户端R1)发出测试数据包TP。从那里出来，所述客户端R1向下一个网络设备NWG(即下一个客户端R2)发送该测试数据包。如果在此接收到了该测试数据包TP，则向下一个网络设备NWG(亦即客户端R3)转发该测试数据包，该客户端可以将所接收到的测试数据包向主机M转发。基于这种机制按照本身已知的方式识别出该环是闭合的并且不存在中断。
在这一点上应该提到，该运行方式借助环形拓扑来描述。然而，本发明不限于环形拓扑，并且可以同样地应用于其他网络拓扑、例如线形拓扑。
在图2中示出了在理想情况下通过环形网络的测试数据包的进程，该进程尚未顾及以有效数据包的形式来交换有效数据。因此，这是在实践中不会发生的理论上的理想情况，因为该进程未顾及在网络之内的有效数据包的传输。
在图3中顾及这样的情况：不仅通过网络设备传输测试数据包，而且是在各个网络设备之间以及越过这些网络设备传输有效数据包。
在图3中如下示出了在传输测试数据包和有效数据包时的最坏情况：主机M发出了测试数据包。因为客户端R1处理、特别是发出有效数据包NP1，仅当有效数据包NP1被完整地传输时才可以转发所接收的来自主机M的测试数据包TP。相同的情况适用于其他的网络设备R2和R3，从而在每种情况中由于处理或发出其他的有效数据包NP2或NP3而延迟测试数据包通过其他网络设备NWG(在此为客户端R2和R3)的转发。
按照本发明的第一解决方案，如在图4中所示的那样，有效数据包的传输被中断并且代替继续传输该有效数据包而传输测试数据包并且在此之后才实施有效数据包的剩余部分的传输。根据图4，这意味着，第一网络设备(第一网络设备不必强制是主机M，而可以是任何其他网络设备)发出测试数据包，并且下一个网络设备NWG(在此是客户端R1)开始发送有效数据包1。然而，按照本发明，不等待到网络设备R1完整地传输了有效数据包NP1，而是中断该有效数据包NP1的传输，以便促使通过网络设备R1发出测试数据包TP。在此之后进行的是发出有效数据包NP1的剩余部分(即在图4中NP1的大部分)。
相同的过程在网络设备R2中进行，所述网络设备在接收测试数据包时已经开始发出有效数据包NP2。如果网络设备R2接收了网络设备R1的测试数据包TP，则中断有效数据包NP2的已经开始了的传输并且由网络设备R2发出测试数据包TP。这之后进行的是继续传输(也在此例如是大部分的)有效数据包NP2的剩余部分。
这在其他网络设备R3中继续，从而按照本发明的第一解决方案明显阐明了相对于在图3中示出的最坏情况而显著缩短测试数据包TP在环形网络上的传输时间。
按照图4，相应的有效数据包NP1、NP2或NP3的长度或者说大小取决于在相应的网络设备上接收了相应的测试数据包TP的时刻。这意味着，有效数据包NP1、NP2或NP3在测试数据包TP之前与之后的长度或者说大小也可以同样大，或者如同在图4中所示的那样不相同。
图5借助一种实施方式示出了按照本发明的第二解决方案的备选方案，其中为所有的网络设备预留了可预定的时间范围(时隙Slot TP)并且首先由各网络设备传输测试数据包，并且在此之后才由至少一个网络设备开始传输有效数据包。参看图5这意味着，预留用于测试数据包的时隙(Slot TP)，从而在发生有效数据包的传输之前总是通过网络来传输测试数据包。
因此在按照图5的示例情况中，主机M在预留的时隙之内发出测试数据包TP，所述测试数据包被客户端R1接收并且转发。相同的情况适用于由客户端R1发出并且被客户端R2接收的测试数据包TP，同样适用于由客户端R2发出并且被客户端R3接收的测试数据包TP。只有当在所预留的时隙之内完成对于其测试数据包TP的传输时，所述至少一个其他的网络设备(在该示例情况中是客户端R1)才可以发出其有效数据包NP1。相同的情况也适用于所述两个另外的网络设备R2和R3，只有当在所预留的时隙(Slot TP)之内传输完测试数据包TP，才可以发出这些网络设备的有效数据包NP2或NP3。因此，即使已经完成传输了测试数据包，在通过时隙预留的时间段期间也不能传输有效数据包。因此，各有效数据包必须等待直至配设给这些有效数据包的时窗开放。
在图6中示出了按照本发明的第二解决方案的一般情况。在该情况中，为传输测试数据包预留可预定的时间范围，其中，在该可预定的时间范围之内不传输有效数据包。因此，这可以(相对于用于所有网络设备的一个时隙)是至少两个或更多个时隙，并且可以在不同的网络设备上是不同的时隙，以便顾及路径和处理等待时间。
因此，在图6中示出，为每个网络设备(M、R1至R3)配置一个预留的时隙(Slot TP)，在其中可以传输测试数据包TP。在该预留的时隙之前与之后的任何时间可以传输有效数据包。因此，在该实施例中示出，配置为主机M的网络设备在为其预留的时隙内向客户端R1发出测试数据包。该配置为主机的网络设备可以在该预留的时隙之前与之后接收和发出有效数据包。客户端R1本身预留了一个时隙，在该时隙之内该客户端可以转发所接收的测试数据包TP。在图6中示出了在为测试数据包TP所预留的时隙之后发出客户端R1的有效数据包NP1。相同的情况适用于客户端R2。客户端R3也为测试数据包TP预留了时隙。然而，该客户端R3在所保留的时隙之前本身就已经可以发出其有效数据包NP3。
由相应的网络设备所预留的时隙是相同的(即具有相同的时间长度)。备选地，每个网络设备亦或每个网络设备组可以为测试数据包预留不同的时隙(在网络设备能中通过配置来调整)。在此，应该注意的是，可预定的时间范围(时隙)具有足以可靠且完整地传输测试数据的最短时间长度。
因此，在按照本发明的第二解决方案的该备选方案中，优选在网络设备所预留的时隙内传输测试数据包，从而要么必须在所预留的时隙之前完成有效数据包的传输，要么在所预留的时隙之内的测试数据包传输之后才进行传输。因此，以有利的方式确保，每当测试数据包为了传输而排队等候时，没有有效数据包处于传输中并且没有有效数据包阻碍测试数据包的传输。
通过该第二解决方案也实现了(特别是在与图3对比的情况下)显著更快地传输测试数据包，从而在故障情况下能够对这样的故障情况基本上更快地做出反应并且将其切换。
因此，在按照本发明的第二解决方案中，(在所述两个备选方案之一的备选方案中亦或在两个备选方案中，)正如在按照本发明的第一解决方案中那样，测试数据包作为所谓的快速数据来处理，其中，在第一解决方案中有效数据包被中断，而在第二解决方案中测试数据包具有最高优先级并且因此具有在网络上“自由的”通行。

Claims (6)

1.用于运行网络的方法，其中，在网络中的各网络设备经由至少一个传输介质通过传输有效数据包来相互交换有效数据，并且为了降低故障风险应用至少一个冗余协议，其中，所述至少一个冗余协议实施传输测试数据包，以用于探测在网络中的故障，其特征在于，中断有效数据包的传输并且代替该有效数据包的继续传输而传输测试数据包，并且在此之后才实施该有效数据包的剩余部分的传输，其中，通过使用帧抢占，测试数据包被冗余协议作为快速数据来处理，使得能实现优先传输测试数据包。
2.按照权利要求1所述的用于运行网络的方法，其特征在于，为了确定冗余状态给测试数据包分配更高的优先级，并且因此测试数据包在各网络设备上的等待时间减少到最小值，所述最小值是直至成功中断较低地分配优先级的部分帧所必需的。
3.用于运行网络的方法，其中，在网络中的各网络设备经由至少一个传输介质通过传输有效数据包来相互交换有效数据并且为了降低故障风险应用至少一个冗余协议，其中，所述至少一个冗余协议实施传输测试数据包以用于探测在网络中的故障，其特征在于，为传输测试数据包预留可预定的时间范围，其中，在该可预定的时间范围之内还能够进行有效数据的传输并且所述测试数据包相对于有效数据包以更高的传输优先级来传输，其中，使用根据IEEE802.1Qbv的时间范围。
4.按照权利要求3所述的用于运行网络的方法，其特征在于，首先由各网络设备传输测试数据包并且在此之后至少一个网络设备才开始传输有效数据包。
5.按照权利要求3所述的用于运行网络的方法，其特征在于，在配置为主机的网络设备中测试数据包的产生在时间上与设置用于测试数据包的时隙的开放相耦合。
6.按照权利要求3所述的用于运行网络的方法，其特征在于，为了确定冗余状态给测试数据包分配更高的优先级，并且因此测试数据包在各网络设备上的等待时间减少到最小值，所述最小值是直至成功中断较低地分配优先级的部分帧所必需的。
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