CN112640386B - 用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的方法和模拟系统 - Google Patents

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Abstract

为了模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理而在其行为方面将待模拟的通信设备相应地在功能上划分为称为控制层的通信控制层以及称为数据层的数据传输层。为通信设备的与控制层相关联的功能分别提供模拟系统部件，其通过能在流程控制环境中实施的软件容器形成。网络基础设施设备在数据层上通过借助于网络基础设施设备相应地提供的资源进行建模。与通信设备相关联的软件容器根据预先给定的拓扑结构选择性地在流程控制环境中实施并且在那里相互耦联。

Description

用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的方法 和模拟系统
技术领域
本发明涉及用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的方法和模拟系统。
背景技术
工业自动化系统通常包括多个经由工业通信网相互组网的自动化设备，并且在制造和过程自动化的范畴中用于控制或调节设施、机器或者设备。由于工业自动化系统中的时间重要的边界条件，对于自动化设备之间的通信主要应用实时通信协议、如PROFINET、PROFIBUS、实时以太网或时间敏感网络(TSN)。
工业自动化系统的计算机单元或自动化设备之间的通信连接的中断能够导致服务请求的传输的不期望或不需要的重复。此外，传输的消息不能够或不完全能够避免将工业自动化系统过渡到或保持到安全的运行状态中。这最后能够导致整个生产设备的故障和高成本的生产停机。特别的问题在工业自动化系统中规律地由具有相对较多但是相对较短的消息的信息交换造成，由此加剧上述问题。
由于用于常常极度不同的应用，例如，如果没有特别的服务质量要求的请求与用于传输具有使用数据内容的数据帧的网络资源相竞争的用于多播数据流或具有实时要求的数据帧的传输的网络资源时，在基于以太网的通信网络中能够出现问题。这能够导致的是，多播数据流或具有实时请求的数据帧不根据所请求的或所需要的服务质量进行传输。
数据帧的优先的传输例如能够在虚拟局域网或虚拟局域网Virtual Local AreaNetworks(VLAN)的基础上根据标准IEEE 802.1Q原则上借助于相应的在数据帧中插入的标签实现。为了同步地并且优先地经由通信网络传输音频和视频流(音频/视频桥接)根据标准IEEE 802.1Qav设置用于各个通信连接的带宽预约，其与最高优先级相关联。为传输音频流和视频流所需要的资源在此在通信设备如交换机中预约。然而，高优先级的数据帧的发送直至完成预约之后才进行。在带宽监视的范畴中确保的是，关于实际使用的带宽存在足够的预约的带宽。否则，使用的比预约的多的带宽的通信连接会导致对整个通信网络的影响，在最不好的情况中会由于过载导致通信连接中止。
为了音频和视频数据流经由基于以太网的通信网络的安全的传输，根据IEEE802.1Qbv标准将基于信用的整形器(CBS)限定作为带宽监视的尺寸。
通过基于信用的整形器根据每个传输的数据帧限定传输暂停，以便确保关于预约的带宽的带宽限制。然而，这样的强制暂停在工业自动化系统中在传输具有控制数据的少的使用数据内容的多个数据帧时问题非常严重，其中，控制数据往往被视为数据束或突发。
DE 10 138 363 A1公开了用于保证互联网应用的服务质量的方法，其中，互联网应用在利用在开互联网应用的始时间点存在的IP接入网和终端系统的资源的条件下自动调整和优化。由互联网应用检测到IP接入网络的QoS通信请求(服务质量(Quality ofService))并且作为应用配置文件存储。在互联网应用激活时将IP接入网络的当前存在的网络资源与存储的应用配置文件比较，并且测定控制数据。根据测定的控制数据优化用于涉及的互联网应用的网络资源的提供。在此，优化涉及调整的时间上的流程和测定在成本角度(传输成本)上的最合适的配置。
根据EP 3 038 325 A1，为了工业自动化系统的通信网络中的数据传输，通过通信网络的耦联通信设备仅在周期的第一时间间隔之中传输包括用于自动化系统的控制数据的第一数据帧。与包括数据帧的序列的数据流相关联的第二数据帧或者其传输不确定服务质量或在预先给定的阈值之下确定服务质量的第三数据帧在周期的第二时间间隔之中传输。第一时间间隔分为第一和第二子间隔。待传送的第一数据帧在子间隔交替地插入到第一或第二等待队列中并且交替地从用于传送的等待队列中取出。
特别地，根据IEEE 802.1Qcc(流预约协议(SRP)增强和性能改进)为时间敏感网络设置的是，终端站点、例如自动化设备在用于利用期望的服务质量参数(服务质量)传输多播数据流的通信网络中能够借助于预约请求预约所需要的资源。根据在通信网络中可用的资源满足或拒绝预约请求。对于关于预约请求所需要的计算的决定可选地在分布配置模型或者中央配置模型中执行。在分布配置模型中，网桥或交换机相应地自己测定那些已经在别处使用的资源和那些仍然可用的资源，并且相应地通知转端站其预约请求是否能被满足。在此的问题在于，网桥或交换机仅识别其自身的产品或硬件特有的参数，但是特别地不识别竞争对手的产品。也在中央配置模型中也出现这个问题，在中央配置模型中中央机构执行所需要的计算。
在规划通信网络以及由经由该通信网络待实现的工业控制应用时重要的是尽早确认关于控制应用出现的服务质量请求是否能够借助于所给的规划状态被满足。根据用于工业自动化系统的通信网络的结构或调试，相应的检查也是重要的，例如能够及时地判定设施扩张的影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的方法，其不要求大规模披露网络基础设施设备的特定于产品或特定于硬件的参数，根据这些网络基础设施设备的行为进行分析，并且给出合适的模拟系统。
根据本发明，该目的通过具有本发明所述的特征的方法并且通过具有根据本发明所述的特征的模拟系统实现。优选的改进方案在各个实施例中给出。
根据本发明，为了模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理，而在其行为方面将待模拟的通信设备分别在功能上划分为称为控制层的通信控制层以及称为数据层的数据传输层。在此，通信设备在预先给定的拓扑结构中相互连接并且包括多播数据流的路径的开始节点或结束节点处的通信终端设备和中间节点处的网络基础设施设备、特别是路由器、交换机或网桥。在开始节点处的通信终端设备为了预约通过中间节点处的网络基础设施设备提供的资源分别规定用于多播数据流的服务质量参数。相应地，在结束节点处的通信终端设备为预约请求分别规定多播数据流标识符。中间节点处的网络基础设施设备或上级的控制装置在预约请求时相应地检查在沿着相应的路径的网络基础设施设备中是否有用于在遵守规定的服务质量参数的条件下的数据传输的足够的资源。在足够的资源的情况下，分别将与规定的多播数据流标识符相关联的多播地址传输至结束节点处的查询的通信终端设备，从而使其能能够访问多播数据流。
通过网络基础设施设备在数据层上提供的资源例如包括相应的网络基础设施设备的带宽、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。此外，优选地，根据IEEE 802.1Qcc处理预约请求。在此，开始节点处的通信终端设备能够相应地对应发话器功能，而在结束节点处的通信终端设备能够相应地对应受话器功能。
根据本发明，对于通信设备的与控制层相关联的功能相应地提供模拟系统部件，其通过能在流程控制环境中实施的软件容器形成。
优选地，软件容器基于通信设备的控制层固件。此外，根据本发明，网络基础设施设备在数据层上通过借助于网络基础设施设备相应地提供的资源来建模。与通信设备相关联的软件容器根据预先给定的拓扑结构选择性地在流程控制环境中实施并且在那里相互耦联。在此，用于在开始节点或结束节点处的通信终端设备的软件容器在模拟期间根据对相应地提供的或请求的多播数据流的说明来实施。借助于模拟检查是否能在遵守规定的服务质量参数的条件下根据预约请求提供所请求的多播数据流。
特别地，本发明能够实现TSN服务质量要求的准确的事先验证而不必依赖精确的设备描述。在此，特定于产品或特定于硬件的参数能够隐藏在软件容器中。如果其基于通信设备的控制层固件，那么模拟的行为就对应实际的行为。
根据本发明的一个有利的设计方案，借助于网络设备发现(网络设备发现(network device discovery))检测或从工程系统中检索出关于在预先给定的拓扑结构内相互连接的通信设备和预先给定的拓扑结构的信息。以该方式能够为模拟简单地提供所需要的信息。此外，优选地，用于软件容器的存储器映射能从能通过多个用户读或写访问的存储系统和供应系统((container image repository)容器映像存储库)中检索出。因此，能够以该方式并且能自动地提供与通信设备相关联的所需要的模拟系统部件。
附图说明
接下来根据结合附图的实施例详细阐述本发明。在此示出：
图1示出用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的模拟系统的示意图。
具体实施方式
附图所示的模拟系统包括用于网络仿真器100的控制器120的配置生成器220。在此，网络仿真器100为模拟系统部件提供流程控制环境，其在其行为方面与模拟的通信设备相关联。通信设备在预先给定的拓扑结构内相互连接并且包括多播数据流的路径的开始节点或结束节点处的通信终端设备和中间节点处的网络基础设施设备。
开始节点或结束节点处的通信终端设备例如能够是工业自动化系统、特别是可编程逻辑控制器或现场设备、例如用于控制设备控制的机器或装置的传感器或执行器。优选地，控制设备经由作为时间敏感网络根据IEEE 802.1Q和IEEE 802.1Qbv设计和设置的通信网络与现场设备连接。特别地，中间节点处的网络基础设施设备包括路由器、交换机和网桥以及通信网络内转发的数据图。
有关其行为方面待模拟的通信设备相应地在功能上划分为称为控制层的通信控制层以及称为数据传输层的数据层。为通信设备的与控制层相关联的功能分别提供模拟系统部件，其通过能在网络仿真器的流程控制环境中实施的软件容器110、111形成。其优点在于，与控制层相关联的功能或设备部件的通常机密处理的细节的规定是不需要的，因为该细节能够隐藏在软件容器110、111中。借助于与控制层相关联的功能例如能够为网络基础设施设备预先给定路由表或传送表。
优选地，软件容器110、111基于用于容器虚拟化的已知概念，其目的在于通过主机系统和在容器中运行的软件共同使用操作系统内核，以及在于选出的操作系统构件之间的隔离。对此，例如控制组和名称空间是重要的方面。借助于控制组能够限定过程组，以便为选出的组限制可用的资源。经由名称空间能够使得各个过程或控制组针对其它的过程或控制组隔离或隐藏。
相反地，在数据层上网络基础设施设备仅根据关于资源的信息进行建模，该资源通过网络基础设施设备相应地提供。特别地，通过网络基础设施设备在数据层上提供的资源包括相应的网络基础设施设备的带宽、队列数量、队列缓存或地址缓存。
在当前的实施例中，配置生成器220从网络设备和网络布线规划300中产生由网络仿真器100的控制器120所需要的关于待启动的软件容器110、111以及其对应网络设备和网络布线规划300的网络侧的布线112的信息。出于该原因，与通信设备相关联的软件容器110、111按照预先给定的拓扑结构选择性地在网络仿真器100的流程控制环境中实施并且在那里相互耦联。优选地，借助于用于网络识别的工具302检测或从工程系统中检索出关于在预先给定的拓扑结构内相互连接的通信设备和预先给定的拓扑结构的信息。
网络设备和网络布线规划300也包括借助于模拟用于多播数据流和服务质量参数的待分析的预约请求的描述。该信息在工程系统301中或者能够借助于用于网络识别的工具302从在实际网络中记录的服务质量请求中推导出。服务质量参数、例如带宽和延迟、对于多播数据流通过在开始节点出用于预约通过中间节点处的网络基础设施设备提供的资源的通信终端设备来规定。对此相应地，在结束节点处的通信终端设备相应地规定用于预约请求的多播数据流标识符。特别地，多播数据流标识符作为对应的信息具有带宽、延使和相应的多播数据流的多播地址。
此外，配置生成器220产生关于多播数据流的期望的预约的数据集210并且将其特别地提供至用于通信终端设备的软件容器110。出于该原因，在模拟期间根据相应的所提供的或请求的多播数据流的说明实施用于开始或结束节点处的通信终端设备的软件容器110。
在当前的实施例中，根据IEEE 802.1Qcc处理预约请求。在此，开始节点处的通信终端设备相应地与发话器功能相关联，而结束节点处的通信终端设备相应地与受话器功能相关联。中间节点处的网络基础设施设备或上级的控制装置在处理预约请求的范畴中相应地检查在沿着相应的路径的网络基础设施设备中是否有用于在遵守规定的服务质量参数的情况下的数据传输的足够的资源。
例如，能够在模拟处理预约请求的范畴中为网络基础设施设备的虚拟的入口端口和出口端口检查在相应的网络基础设施设备中关于带宽、队列数量、队列缓存和地址缓存是否由足够的资源。特别地，原则上在为多播数据流预约资源时至少保障的是，相应的多播数据流的多播地址能记录到地址缓存中。如果模拟得出相应地存在足够的资源，那么就将与规定的多播数据流标识符相关联的多播地址传输至结束节点处的请求的通信设备。
因此，作为模拟的结果检查的是，在遵守规定的服务质量参数的情况下是否能提供根据预约请求所请求的多播数据流。在此，借助于用于结束节点处的通信设备的软件容器110在模拟期间根据当前的实施例记录是否能够满足所检查的预约请求。
优选地，软件容器110、111直接基于通信设备的控制层固件并且经由容器映像存储库200提供。容器映像存储库200是能通过多个用户读或写访问的存储系统和供应系统，从其中对于每个固件状态检索出用于软件容器110、111的存储器映射。

Claims (16)

1.一种用于模拟通信网络中的多播数据流的预约请求的处理的方法，其中，
-通信设备在预先给定的拓扑结构中相互连接并且包括所述多播数据流的路径的开始节点和/或结束节点处的通信终端设备和中间节点处的网络基础设施设备，
-在所述开始节点处的所述通信终端设备相应地规定用于所述多播数据流的服务质量参数，用于预约待通过所述中间节点处的所述网络基础设施设备提供的资源，
-在所述结束节点处的所述通信终端设备相应地规定用于预约请求的多播数据流标识符，
-所述中间节点处的所述网络基础设施设备和/或上级的控制单元在预约请求时相应地检查在沿着相应的路径的所述网络基础设施设备中是否有用于在遵守规定的所述服务质量参数的情况下的数据传输的足够的资源，
-在有所述足够的资源的情况下，相应地将分配给规定的所述多播数据流标识符的多播地址传输至所述结束节点处的请求的所述通信终端设备，
其特征在于，
-关于模拟的行为，将待模拟的所述通信设备相应地在功能上划分为称为控制层的通信控制层以及称为数据层的数据传输层，
-为所述通信设备的与所述控制层相关联的功能相应地提供模拟系统部件，所述模拟系统部件通过能在流程控制环境中实施的软件容器形成，
-在所述数据层上通过借助于所述网络基础设施设备相应地提供的资源对所述网络基础设施设备进行建模，
-与所述通信设备相关联的所述软件容器根据预先给定的所述拓扑结构选择性地在所述流程控制环境中实施并且在所述流程控制环境中相互耦联，
-用于所述开始节点和/或所述结束节点处的所述通信终端设备的所述软件容器在所述模拟期间根据关于相应地提供的和/或请求的所述多播数据流的说明来实施，
-借助于所述模拟来检查是否能够在遵守规定的所述服务质量参数的条件下提供根据所述预约请求所请求的所述多播数据流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于网络设备发现来检测和/或从工程系统中检索出关于在预先给定的所述拓扑结构内相互连接的所述通信设备和预先给定的所述拓扑结构的信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述网络基础设施设备传送所述通信网络内的数据报。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述网络基础设施设备包括路由器和/或交换机，并且其中，借助于与所述控制层相关联的功能预先给定用于所述网络基础设施设备的路由表和/或传送表。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述网络基础设施设备在所述数据层上提供的资源包括相应的所述网络基础设施设备的带宽、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，根据IEEE 802.1Qcc处理所述预约请求。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述开始节点处的所述通信终端设备相应地与发话器功能相关联，并且其中，所述结束节点处的所述通信终端设备相应地与受话器功能相关联。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述软件容器基于所述通信设备的控制层固件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于所述软件容器的存储器映射能够从能通过多个用户读和/或写访问的存储和供应系统中检索出。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其中，借助于用于结束节点处的所述通信终端设备的所述软件容器在模拟期间记录是否能满足所检查的所述预约请求。
11.一种模拟系统，用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述模拟系统设计和设置为，
-关于所述模拟系统的行为，待模拟的所述通信设备相应地在功能上划分为称为控制层的通信控制层以及称为数据层的数据传输层，其中，所述通信设备在预先给定的拓扑结构内相互连接并且包括用于多播数据流的路径的开始节点和/或结束节点处的通信终端设备和中间节点处的网络基础设施设备，
-为所述通信设备的与所述控制层相关联的功能相应地提供模拟系统部件，所述模拟系统部件通过能在流程控制环境中实施的软件容器来形成，
-在所述数据层上通过借助于所述网络基础设施设备相应地提供的资源对所述网络基础设施设备进行建模，
-与所述通信设备相关联的所述软件容器根据预先给定的所述拓扑结构选择性地在所述流程控制环境中实施并且在所述流程控制环境中相互耦联，
-用于所述开始节点和/或所述结束节点处的所述通信终端设备的所述软件容器在模拟期间根据关于相应地提供和/或请求的所述多播数据流的说明来实施，
-借助于所述模拟来检查是否能在遵守规定的所述服务质量参数的情况下来提供根据所述预约请求所请求的所述多播数据流。
12.根据权利要求11所述的模拟系统，所述模拟系统被设计和配置为，借助于网络设备发现检测和/或从工程系统中检索出关于在预先给定的所述拓扑结构内相互连接的所述通信设备和预先给定的所述拓扑结构的信息。
13.根据权利要求11或12所述的模拟系统，其中，通过所述网络基础设施设备在所述数据层上提供的所述资源包括所述网络基础设施设备的带宽、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。
14.根据权利要求11所述的模拟系统，所述模拟系统设计和设置为，根据IEEE802.1Qcc处理所述预约请求。
15.根据权利要求11所述的模拟系统，其中，所述软件容器基于所述通信设备的控制层固件。
16.根据权利要求15所述的模拟系统，所述模拟系统设计和设置为，用于所述软件容器的存储器映射能够从能通过多个用户读和/或写访问的存储系统和供应系统中检索出。
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