CN113260929B - 用于故障安全数据传输的方法、网络节点、计算机程序和计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在网络(B1‑B9)中进行故障安全数据传输的方法，其中，数据包从发送器(E4)经由冗余路径(P1、P2)传输至接收器(E8)，在路径上在参与的网络节点(B1‑B9)处预定用于利用与相应的路径(P1、P2)相关联的标识符(VID1、VID2)的资源，其中，对于为至少一个相关的路径(P1、P2)找到新路径(P3、P4)的情况，在所有冗余的路径(P1、P2)上预定先前的预定，为至少一个相关的路径(P1、P2)得出和查找冗余的新路径(P3、P4)，在冗余的新路径上在参与的网络节点(B1‑B9)处预定用于传输的资源，其中，使用与新路径(P3、P4)相关联的新标识符(VID3、VID4)，并且只要在至少一个新的路径(P3、P4)上成功进行新的预定，就解除在至少一个先前的相关的路径(P1、P2)上的先前的预定。此外，本发明涉及一种网络节点、一种计算机程序和一种计算机可读介质。

Description

用于故障安全数据传输的方法、网络节点、计算机程序和计算 机可读介质
技术领域
本发明涉及一种用于在具有多个网络节点的尤其工业网络中进行故障安全数据传输的方法。此外，本发明涉及一种网络节点、一种计算机程序和一种计算机可读介质。
背景技术
在工业网络中，传感器/执行器信息与控制器的交换通常数字化地经由通信网络进行。现场总线是一种总线系统，总线系统在设施中为了与自动化设备通信的目的而连接现场设备，如测探测器(传感器)和调整环节(执行器)。如果多个通信参与者经由同一线路发送他们的消息，则必须指定：谁(标识符)在何时(主动)说什么(测量值、命令)。为此，存在标准化的协议。以太网已经确立了自己的技术地位。
现场总线通过唯一的总线线缆代替并行的线束，并连接从现场层到控制层的所有层。与自动化设备的类型、例如不同制造商的可编程逻辑控制器(PLC)或基于PC的控制器无关，现场总线的传输介质将现场中的部件联网。
待传输的数据对于自动化任务是必需的，因此应排除数据丢失。各个连接路线的破坏或失效同样不应导致通信中断。
到目前为止，在工业中已经开发出自己的现场总线技术。例如，在IEC61784-2标准中制定了新的具有实时能力的基于以太网的现场总线。已知PROFINET(过程现场网络)，其是PROFIBUS用户组织注册协会(PNO)用于自动化的开放式工业以太网标准。PROFINET使用TCP/IP和IT标准，是具有实时以太网能力的并且能够实现现场总线系统的集成。
在连接失效的情况下，以太网中的纯数据传输不提供任何保护。通过It协议、即例如RSTP使网络无环路(通过停用现有的附加线缆，附加线缆也被称为链路)。存在改进方案，例如ISIS SPB(SPB在此代表Shortest Path Bridging最短路径桥接，其在IEEE802.1aq中标准化；ISIS代表路由协议“中间系统到中间系统协议”，其尤其在ISO/IEC 10589:2002(E)中标准化)。在此，改进方案基于使用网络阶段、例如桥之间的相应最短的连接并且停用附加的链接。然而，在两个上述变体方案中在故障情况下造成通信的短暂失效。
尤其在工业领域，引入专门的冗余机制，以便能够尽可能简单地保证确定的切换时间并将失效保持得低。在此，例如采用能够在简单的环形拓扑中补偿单独失效的媒体冗余协议(MRP，尤其参见IEC62439)。
对于不能应对连接失效的应用，数据通常在网络中并行地在多个、典型地两个分开的传输路线(路径)上传输。这通常被称为“无缝冗余”，因为在故障情况下不存在通信失效。例如已知的用于以太网的称作为高可用性无缝冗余(HSR)的网络协议和并行冗余协议(PRP)，两者均在IEC62439-3中标准化。在HSR和PRP中，将序列号插入到所有数据包中。
在IEEE中，该原则在IEEE802.1CB的框架内通过TSN工作组标准化。在连接中插入具有序列号的附加标签(冗余标签)。由此，对于特别关键的连接在网络中传输多个副本并且随后过滤。
所有之前已知的机制仅用于运行并防止在两个冗余路径之一上故障的情况下的通信失效。例如由于改装和/或扩展引起的现有网络的可能计划的、尤其永久的改变不能够没有问题。在切换冗余的情况下、即在无缝冗余的情况下能够在此造成通信的短暂失效。至今为止没有防止该短暂失效。对此的原因是，由于网络改变能够出现(在两个的情况下)所有两个冗余路径的改变。至今为止，在ISIS SPB-PCR中通过所谓的GADAG确定冗余路径。首字母缩略词GADAG在此代表推广的几乎定向的新非循环图，翻译成的与为广义化的、几乎有向无环图。例如，在标题为“用于计算IP/LDP快速重路由的最大冗余树的算法”的IETF草案中公开了一种用于MRT快速重路由算法的方法，MRT快速重路由算法能够实现GADAG's的计算并从GADAG's推导MRT's。
GADAG能够用作为网络中的冗余路径的基础。在计算路径时，通常发现沿GADAG的方向上的一个路径/路线，并且相反于GADAG的方向上的第二路径/路线。然而，在GADAG改变的情况下，能够在部分区段中改变GADAG的方向。这两个路径/路由都会受到GADAG改变的影响。然后，在从先前的GADAG切换到新的GADAG时，会造成两个路径上的同时的改变，改变造成即使使用无缝冗余方法也造成通信失效。因此，相应的改变比失效(例如单独连接的故障)更糟糕。
还已知流预定协议(SRP)，IEEE802.1Qat，能够利用流预定协议动态地预定传输资源，并且能够保证延迟时间。从AVB(音频视频桥接)任务组中产生的时间敏感网络(TSN)任务组已经或正在创作一系列其他的标准。例如时间同步(IEEE 802.1AS-Rev)、帧抢占(IEEE802.1Qbu)和预定(IEEE 802.1Qca、IEEE 802.1Qcc)等都属于TSN标准。
从同样由本申请人创造的WO2019/001718A1中得出一种用于预定用于传输数据包的最大冗余的传输路径的方法。其公开了扩展预定协议，使得在资源预定期间在网络中的所需要的位置处执行无缝冗余的副本过滤器的自动配置。为此，在预定协议中已经已知所有信息。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于改进开始提出类型的方法，使得存在通信的尤其高的故障安全性，这尤其在网络、尤其网络拓扑发生改变的情况下存在。此外，本发明的目的是提供一种用于执行这种方法的网络节点。
首先提到的目的通过一种在具有多个网络节点的尤其工业网络中进行故障安全数据传输的方法来实现，
其中
-将数据包从发送器经由至少两个、优选恰好两个冗余路径传输至接收器，在冗余路径上在参与的网络节点处预定用于利用与相应的路径相关联的标识符、尤其与相应的路径相关联的VID的资源，
其中，对于尤其由于通过网络的改建和/或扩展所引起的对于至少一个相关的路径的改变的情况而言找到新路径，
-在所有冗余的路径上保留先前的预定，
-为至少一个相关的路径得出和查找冗余的新路径，在冗余的新路径上在参与的网络节点处预定用于传输的资源，其中，使用与新路径相关联的新标识符，新标识符与先前的标识符不同，并且
-只要在至少一个新路径上成功进行新的预定，就解除在至少一个先前的相关的路径上的先前的预定，并且尤其结束经由至少一个先前的相关的路径传输数据包。
换言之，本发明的基本思想在于，通过以下方式即使对于改变的情况、尤其网络拓扑改变的情况提供提高的故障安全性，当成功进行新的预定时，附加地构建新的预定和有针对性地解除现有的预定。在此，根据本发明，对于新预定使用用于一个或多个冗余的新路径/路线的新的其他的标识符。标识符例如能够是VLAN IDs，也简称为VIDs。
由于根据本发明不简单地直接切换到新路径上，而是在现有路径上的的现有的预定首先有意地不改变，而是继续维持，并且有利地用于转发包或帧(只要可行)，所以，在全部两个或更多个现有的冗余路径涉及切换的情况下也能够确保无中断的通信。然后，特别地，先前的路径中的至少一个还能够用于安全的实时通信，特别是以有保证的延迟，这在任何情况下，直到能够找到一个或多个新路径并且能够在其上成功预定资源。
尤其在其中仅由一些网络节点CB(IEEE802.1CB)支持的网络中，尤其有利的是，资源对于两种变体方案分开考虑。如果路径的运行方式与现有的预定不同，则在不支持CB且相应地必须发送该连接的所有副本的网络节点中造成重复。
通过根据本发明将不同的标识符、尤其VIDs用于“旧的”和一个或多个“新的”路径，能够在转发时区分数据。在多重占用的情况下，在具有CB的网络节点、例如网桥中进行对于第一到达的数据包的预定。在CB的情况下，通常，第一到达的副本/数据包被转发，所有其他的、随后到达的副本通过CB机制被识别和过滤，即不转发，进而不是公共的转发路线上的多重占用。因此，通过用于第一到达的包的预定也不再预定超过绝对需要的资源。
通过根据本发明的处理方式能够以无缝冗余重配置连接。如果网络中存在计划的优化，则使用用于数据传输的网络的工业设施例如不再必须被停止。无缝冗余、特别是CB的使用与根据本发明网络中的预定的改变的序列相结合，能够实现无中断的路径改变。
例如，能够通过扩展和/或优化和/或改建和/或由于故障或缺陷引起的维修引起或提供网络的改变。该改变尤其是永久性的改变，尤其是网络拓扑的永久性的改变。
可行的是，改变涉及多个、尤其所有先前的路径。在这种情况下，优选对于多个、尤其所有相关的路径分别计算新路径，并且尝试在相应的新路径上分别利用新的标识符执行预定，其中，尤其所有新路径的新标识符彼此不同并且与先前的标识符不同。这确保能够可靠地将在所有先前的路径以及所有新路径上传输的数据相互区分。
优选地，属于传输或连接的两个或更多个冗余路径的标识符、特别是VIDs属于公共的基本标识符、特别是公共的基本VLAN或基本VID或者由其所包括。
与至少两个冗余路径相关联的标识符有利地彼此不同，这就是说，对于至少两个冗余路径不使用相同的标识符。这优选地不仅适用于先前的冗余路径而且适用于冗余的新路径。
路径应该被理解为，尤其以自身已知的方式，从发送器至接收器的传输路径。
根据另一个特别优选的实施方式提出，尤其作为对改变做出的反应，为网络或网络的至少一部分计算推广的几乎定向的新非循环图(GADAG)，并且利用新GADAG计算用于至少一个先前的相关的路径的至少一个新路径。只要改变涉及多个、或者所有先前的路径并且相应地必须为多个、或者所有先前的路径分别计算新路径，则优选地适用的是，所有新路径利用新GADAG来得出。
优选手动触发(新)GADAG的得出或计算、即特别是GADAG更新。这能够例如在由网络管理员结束维修或按计划优化之后，通过网络管理系统进行。重新计算、即更新的手动触发或激活优选是有利的，以便能够有针对性地在网络的按计划的扩展或维修工作结束与因故障引起的失效之间进行区分。
主要的情况是，为了确保无缝冗余在恰好两个冗余路径上同时传输数据包和副本，以便能够无中断地捕获路径上的缺陷的失效。于是，尤其能够提出，由于网络中的改变，恰好两个现有的先前的路径改变并且对于这两个路径分别计算新路径，然后，这优选使用新GADAG来进行。
此外，能够提出，如果改变涉及多个、尤其所有路径，则得出的新路径中的至少一个路径指向新GADAG的方向并且至少一个路径指向相反方向。如果改变仅涉及先前的路径中的一个，则优选适用的是，在新的和一个或多个为涉及的保留的先前的路径中，至少一个路径指向新GADAG的方向并且至少一个路径指向相反方向。
此外，能够优选地提出，计算出的新GADAG通知参与的网络节点。这例如能够以消息的组成部分的形式或作为消息的组成部分来进行，消息在运行协议、特别是路由协议的情况下在网络中分布，尤其在网络节点之间交换。作为路由协议的实例提及ISIS协议，其中，尤其优选使用ISIS-SPB/PCR协议。
需要注意的是，不排除参与的网络节点彼此间不交换相应的信息、尤其新GADAG，而是分别从中央位置接收信息。从中央位置获得信息当然也能够结合通过网络节点彼此间交换信息来实现。
另一个实施例的特征在于，至少两个先前的路径利用先前的推广的几乎定向的新非循环图(先前的GADAG)来计算。如果是这种情况，则优选适用的是，先前的路径中的至少一个已经指向或指向先前的GADAG的方向并且先前的路径中的至少一个另外的先前的路径已经指向或者指向相反的方向。对于尤其通常设有过或设有恰好两个先前的冗余路径的情况，尤其两个路径中的一个指向先前的GADAG的方向并且另一个指向相反的方向。
应该注意的是，常规的是，将蓝色与指向GADAG方向的路径相关联，并且将红色与指向相反方向的路径相关联。
对于在根据本发明的方法的范畴内为恰好两个(先前的)冗余路径得出恰好两个冗余的新路径的情况，能够以类似的方式将颜色浅蓝色和浅红色与两个冗余的新路径相关联，其中，于是尤其适用的是，浅蓝色路径指向新GADAG的方向，并且浅红色路径指向相反的方向。
通常适用的是，重新计算产生新GADAG，然后，从新GADAG中形成两个新路径。相应地能够说两个路径被“更新”。但是，在此也可行的是，一部分产生相同的结果(路径保持不变，GADAG的一部分对于新拓扑保持不变)。
还适用的是，对于无缝冗余所需的冗余树，能够例如根据IEEE802.1Qca明确地预设和/或能够在网络节点、例如网桥中本地计算。
为了路径计算，也能够尤其基于GADAG使用拓扑发现和/或分布式路径计算，特别是生成树、最短路径(特别是对于每个边界节点、即例如在IEEE 802.1Q SPB-V中每个具有SPVID的SPT网桥)和/或最大冗余树(MRT)。
在另一优选的实施方案中能够提出，在解除至少一个先前的相关的路径上的先前的预定之后，在至少一个(相应的)所属的新路径上的参与的网络节点处利用所属的至少一个先前的路径的先前的标识符执行资源的另外的预定，并且随后再次解除或移除用于新标识符的预定。因此可行的是，对于一个或多个新路径，切换回到先前的原始标识符、特别是VIDs，这已经被证实为是特别适合的。
特别优选地，从参与的终端设备的角度来看或者对于所属的应用的角度，以完全透明的方式进行到一个或多个新路径的切换，以实现根据本发明的保留的无缝冗余，并且仅在一个或多个新路径上成功预订后才移除旧的预订通过在预定中为CB限定的为了预定改变网络中的路径的标识符的机制，当为了终端设备使用特殊标识符时，用于终端设备的在网络内部中的标识符时不可见的，因此，网络中的用于终端设备的标识符的改变透明地进行。
在沿着一个或多个(先前的以及新的)路径预定资源的情况下，尤其进行参与的网络节点的配置，其中，优选地使用/已经使用标识符、例如VID，优选地将标识符存储/已经存储在相应的网络节点上。资源被预定用于相应的流，尤其在标识符的情况下或对于标识符预定。
为了在根据本发明的方法的范畴中在参与的网络节点处预定资源，优选使用流预定协议。作为这种协议的实例列举SRP以及RAP。在此，SRP代表流预留协议、优选根据IEEE802.1Q。首字母缩写词RAP代表资源分配协议，其中，资源分配协议尤其是根据草案P802.1Qdd的资源分配协议。LRP代表链路本地注册协议、尤其根据IEEE P802.1CS。
所使用的预定协议优选地扩展为，使得其在需要该预定协议的网络节点处优选自动化地执行用于无缝冗余的配置，尤其在资源预定期间在网络中需要的位置处执行用于无缝冗余的副本过滤器的自动配置。在从现有技术中预先已知的资源预定协议中，为此已经已知所有的信息。
为了在至少一个新路径上的参与网络节点处预定资源，能够响应于改变，例如从最靠近发送器的网络节点向在至少一个新路径上的朝接收器的方向上下一个或者下一个到来的网络节点发送优选标准的通知消息。通知消息尤其能够是所谓的说话者广告，如其从现有技术中预先已知。
尤其能够提出，得出多个新路径，并且为了在新路径上的参与的网络节点处预定资源，响应于改变，从最靠近发送器的网络节点将优选标准的通知消息发送给每个新路径上的在朝接收器的方向上后续网络节点。
此外，为了在至少一个新路径上的参与的网络节点处预定资源，由最靠近接收器的网络节点将优选标准的参与消息、尤其收听者就绪发送给在至少一个新路径上的在朝发送器的方向上后续网络节点。对于得出多个新路径的情况，为了在新路径上的参与的网络节点处预定资源，能够由最靠近接收器的网络节点将优选标准的参与消息、尤其收听者就绪发送给每个新路径上的在朝发送器的方向上后续网络节点。
根据该实施方式，能够采用用于流预定和建立的预先已知的流程，这已经被证实为是特别合适的。
在转发参与消息时，优选在位于多个路径上且支持CB的网络节点中配置用于具有相应不同的标识符路径的CB功能并且参与消息在所有路径上沿朝最靠近发送器的网络节点的方向发送。这也在同样由本申请人创造的WO2019/001718A1中描述。
如在中所述，在根据本发明的方法的范畴中，实现或者进行在一个或多个新路径上资源的预定，其中，尤其为了第一次在参与的网络节点处获得具有预定资源的多余一个的路径(用于冗余担保)。
从WO 2019/001718 A1可知，通过将预定协议的现有数据和在执行真正的流预定时的规则的扩展巧妙地组合能够通过协议完成无缝冗余的连接相关的配置份额。在此，扩展尤其仅在网络的端点(到终端设备的过渡部)处或者在冗余过渡部(尤其环环耦合位置)中是需要的。在此，分别尤其在TSN网络的输入端和输出端处进行预定请求的实施。在网络本身中根据标准进行转发。
根据WO 2019/001718 A1，尤其提出，流通知消息、特别是说话者广告，以及流参与消息、特别是收听者加入在说话者或收听者侧的边界节点处复制，并且经由多个、尤其两个冗余路径转发，以便相应地配置所有冗余路径上的节点并且能够展开预定。
有利的扩展导致用于受保护的通信的无缝冗余的更简单的使用性并且能够实现在低配置的网络中使用。
WO 2019/001718 A1中描述的流程类似地也能够对于先前的冗余路径中的一个或多个的改变的情况来实施。特别地，还能够以WO2019/001718A1中描述的方式，尤其使用相应扩展的预定协议至少在网络中的需要的位置处实现副本过滤器的激活或建立。
流数据的转发在网络中以自身已知的方式根据流数据包中的用于流的标识进行。根据CB的配置的模式，在所有路径上分别利用每个路径的自身的标识符、特别是自身的VID或利用公共的标识符、特别是公共的VID进行流数据的转发，路径尤其之前通过预定、特别是说话者广告和收听者加入来配置。根据在IEEE 802.1CB标准中限定的机制，两种变体方案都是可行的。
在其中进行数据传输的网络能够包括至少一个环形拓扑和/或至少一个网状拓扑。
该网络还有利地是AVB或TSN网络或具有AVB或TSN能力的网络。特别地，网络的网络节点具有AVB或TSN能力，支持一种或多种AVB或TSN标准，例如预定用于具有保证的延迟的转发的资源。
显然可行的是，能够将数据作为流从一个发送器传输到超过一个接收器和/或将数据从多个发送器传输至一个接收器。于是，可分别考虑由发送器和接收器构成的对，于是，对于对存在两个或更多个(先前的)冗余路径并且对于发送器和接收器的每个对而言，如果变化涉及所属于该对的冗余路径中的至少一个，则得出至少一个新路径并且尝试在路径上预定资源。
本发明的其他主题是一种网络节点，网络节点构成和/或设计用于执行根据本发明的方法。例如，也能够称为网络元件的网络节点能够以网桥或交换机的形式存在。
优选地，根据本发明的网络节点构造和/或设置为，使得其能够实施预定。
还能够提出，根据本发明的网络节点构造和/或设计为，使得其限定网络中的路径。如果网络中的网络节点应当(能够)起边界节点的作用，则这尤其被证实为是有利的，边界节点最靠近发送器(说话者)或接收器(收听者)、特别是这种进行显示的终端设备。优选地，如果在恰好一个发送器与一个或多个接收器之间建立流，则由发送器侧的边界节点限定路径或将由发送器侧的边界节点限定路径，并且如果在多个发送器与恰好一个接收器之间建立流，则由接收器侧的网络节点限定路径。
根据本发明的网络节点被证实为尤其适合于执行根据本发明的方法。
本发明的另一主题是一种计算机程序，其包括用于执行根据本发明的方法的步骤的程序代码装置。
最后，本发明的主题包括一种包括指令的计算机可读介质，当指令在至少一台计算机上执行时，指令促使至少一台计算机执行根据本发明的方法的步骤。
计算机可读介质例如能够是光盘只读存储器(CD-ROM)或高密度数字视频光盘(DVD)或USB或闪存。应当注意的是，不应将计算机可读介质仅理解为实体介质，计算机可读介质也能够例如也以数据流和/或代表数据流的信号的形式存在。
附图说明
根据下面结合附图对本发明的实施方式的描述解释本发明的其他特征和特点。其中，示出，
图1示出具有多个网络节点的工业TSN网络的纯示意图，多个终端设备参与TSN网络；
图2示出根据图1的网络的三个纯示意图，其中，仅通过线可视化网络节点和网络节点的连接(左侧)或通过连接节点的箭头可视化为网络计算的GADAG(中间)或通过连接节点的箭头可视化由于连接取消而改变的新的GADAG(右侧)；
图3示出根据图1的网络的另一个纯示意图，其中，通过线和两个冗余树的连接通过箭头示出，线和冗余树将两个终端设备彼此连接并且基于根据图2中间的GADAG；
图4示出根据图1的网络的另外两个纯示意图，其中，仅示出两个在图3中通过冗余树连接的终端设备并且重新示出图3中的树(左侧)或两个新的冗余树，冗余树基于根据图2右侧的GADAG；
图5示出预定流程的纯示意图；和
图6中的图6A和图6B示出根据图1的网络的另外三个纯示意图，网络仅具有根据图4的两个终端设备，其中，数据转发对于仅一个标识符的情况而言利用对于三种不同情况(左侧、中间、右侧)的箭头表明。
具体实施方式
图1示出具有多个网桥B1-B9形式的网络节点的基于以太网的工业网络的纯示意图。该网络是TSN网络，并且所有网络节点B1-B9都支持TSN标准，特别是预定用于以保证的延时进行实时数据传输的网络资源。
网络节点B1-B9经由线缆1彼此连接，线缆也能够称为链路。在此，得到具有不同网络拓扑的三个子区域2、3、4，具体地，具有花环形拓扑(英文“花环(Garland)”)的第一上部区域2、具有网状拓扑的第二中间区域3和具有环形拓扑的第三下部区域4。
花环拓扑特别适合于成本敏感的现场级网络或用于致动器和传感器的区段，并且通常冗余与网状网络连接，如图1示例性示出。
网状网络或区段特别适用于工业自动化领域的集中计算能力(如终端设备中的虚拟机)，网状网络或区段对于时间敏感的串流支持无缝“热插拔”，即网络运行期间的部件更换。这尤其能够与高可用性的网络和通过添加或移除网桥或链路来支持拓扑变化组合。
环形拓扑同样尤其适合于用于执行器和传感器的成本敏感的现场级网络或区段，执行器和传感器能够与网状网络或区段连接。
将一共八个终端设备E1-E8连接至根据图1的网络，其中，如可识别的那样，终端设备E1处于节点B3处，终端设备E2处于节点B2，终端设备E3处于节点B1处，终端设备E4处于节点B7处，终端设备E5处于节点B8处，终端设备E6处于节点B9处，终端设备E7处于节点B4处，终端设备E8处于节点B5处。
在为工业PC的终端设备E1和E5上运行虚拟化，其中，在E1或E5上分别实施内部的虚拟网桥B10或B11，并且三个应用vEl.l、vE1.2、vE1.3(终端设备E1)或vE5.1、VE5.2、VE5.3(终端设备E5)分别作用在两个虚拟网桥B10、B11的每个处。
其他终端设备特别是可编程逻辑控制器、分别包括执行器和/或传感器或与执行器和/或传感器连接的IO设备、用于通过用户或操作员输入的HMI面板以及用于显示的显示设备，其中，这仅能够纯示例性地理解。
具体地，终端设备E4例如当前为可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器形成数据源或发送器并且由控制器将数据包传输至当前为IO设备的终端设备E8。IO设备E8包括执行器或与执行器连接，经由执行器能够作用于附图中未示出的工业过程上。执行器必须以已知的方式周期性地包括控制值，使得进行具有相应的用户数据内容的数据包从终端设备E4至终端设备E8的周期性传输。
为了保证尤其具有保证的延迟的数据包的可靠的传输，在或能够在参与的网络阶段B1-B9处为传输预定传输资源，如从现有技术、以及多种TSN标准中充分已知。在使用预定的资源的情况下周期性地传输的数据包也能够称为流或TSN流。
根据AVB和TSN常见的是，将发送器或数据源称作为说话者，并且将接收器或数据接收器或数据目标称作为收听者。相应地，终端设备E4对于到终端设备E8的流为说话者，并且终端设备E8为收听者。
因为随例如链路1或网络节点B1-B9的失效产生通信的中断，这会与对于在工业技术过程或所属的设施的显著问题联系在一起，所以已知的是，设有冗余的数据传输。
在其中需要尤其高的故障安全性的工业领域中，尤其所谓的无缝冗余证实为是合适的。据此，在两个尤其最大冗余的路径上同时进行数据包的传输。为此，在网络中的所需的点处、尤其在网络节点B1-B9中的一些处进行复制和副本过滤。关于无缝冗余，在上下文中也参考所谓的“帧复制和可靠性消除”，尤其根据IEEE802.1CB。
为了能够在给定拓扑的网络中找到两个尤其冗余的路径或树，已知的是，得出所谓的GADAG并基于该GADAG确定两个尤其最大冗余的路径或树(MRT)。
对于图1所示的网络，在假设网桥B1为根的情况下，得到GADAG G1，如其在图2中通过相应的箭头所示。应当注意的是，通过相应的线在图2左侧再次仅示出根据图1的网络的节点B1-B9和所属的连接1。还应该注意的是，图2中间箭头的端部处的方框分别表示GADAGE1的所谓的耳朵(根据IEEE 802.IQ，英文“耳朵(Ear)”)的端部。所示的GADAG G1是从IEEE802.1Q根据从IETF RFC 7811“使用最大冗余树(MRT-FRR)计算IP/LDP快速重新路由的算法”中的其中提到的算法进行的计算的结果。
图3同样示出根据图1的网络，其中，终端设备E4通过字母“T”被标记为说话者，终端设备E8利用“L”被标记为收听者，并且除了连接1之外，通过箭头示出从根据图2中间的GADAG G1中得出的、从说话者E4到收听者E8的两个最大冗余路径P1、P2或树T1、T2。在此，树T1通过具有虚线箭头示出，并且第二树T2通过具有虚线箭头示出。可识别出树T1指向GADAGG1的方向(参见图3中的虚线箭头和图2中间中的箭头)，并且树T2指向与GADAG G1相反的方向(参见具有图3中的虚线箭头与图2中间的箭头)。需要注意的是，在图3中示意地表明网络节点B1至B9的端口。
还需要注意的是，根据IEEE802.1 Q约定，指向GADAG方向的树用蓝色标记，而指向相反方向的树用红色标记。因此，当前，T1的虚线箭头对应于根据约定的蓝色树，而T2的虚线箭头对应于根据约定的红色树。
由每个节点B1-B9使用GADAG G1通过如下方式计算树T1、T2进而路径P1、P2，即使用GADAG G1一次沿其的方向并且一次沿相反方向来计算从网桥B7开始的路径作为待计算的转发路径的源。为了提供节点B1至B9，在此处描述的实施例的范畴中经由ISIS-SPB/PCR确定GADAG G1之后，GADAG G1分布在网络中，具体地告知节点B1至B9。显然也不排除，不本地地通过节点B1-B9而是在中央点位置处计算树或路径。GADAG计算也能够分布地通过节点B1至B9本地地执行代替在中央位置处执行。
在图4左侧中示出根据图1、2和3的网络，其中，在此仅示出了网络节点B1-B9和八个终端设备E1-E8中的两个，具体地，仅示出说话者E4和收听者E8。此外，重新用虚线或虚线箭头示出两个最大冗余树T1和T2，在此没有附加示出的连接1。除了网络之外，纯示例性地示出数据包根据CB(IEEE 802.1CB)从说话者E4到收听者E8的流。在网络的视图中和在示意性的流图中通过设有附图标记5的方框示出：在哪个位置处发生根据CB的副本的过滤。具体地，这能够在网络节点B3、B1处以及B2处识别该情况。网络中的其他网络节点B4至B9在所示出的拓扑中对于说话者E4与收听者E8之间的示出的连接而言不必支持CB。
还可见的是，数据包同时经由与树T1相对应的冗余路线或路径P1从说话者E4转发至收听者E8，以及经由第二路线或路径转发，第二路线或路径代表树T2的一部分并且具体地从说话者E4经由节点B7、B3、B2和B5延伸至收听者E8。
通过经由两个冗余路径P1、P2(无缝冗余)同时转发，即使在造成两个冗余路径P1、P2之一上的网络节点B1-9或链路1故障或失效的情况下，也确保需要的数据达到收听者E8。
每个GADAG耳朵(例如区域或区段4)能够造成失效，而不分开连接或中断数据传输。
在此，对于冗余路径P1、P2中的两个在参与的网络节点处(对于P1这是B7、B8、B9、B3、B6、B1、B4和B5，并且对于P2这是B7、B3、B2和B5)预定用于安全传输的资源，这利用预定协议、尤其根据RAP(资源分配协议)来预定。具体地，以在同样在本申请人创作的W02019/001718A1中描述的方式那样展开或实现对于两个路径P1、P2在节点B1-B9处预定资源。尤其通过将预定协议的现有数据与在执行真正的流预定时的规则的扩展巧妙地组合，通过预定协议来实现无缝冗余的连接相关的配置份额。在此，对于两个冗余路径P1、P2和在其上的节点B1-B9处的预定，使用两个不同的标识符、具体地不同的VID，对于路径P1使用VID1并且对于路径P2使用VID2。根据WO2019/001718A1中描述的方式，对于每个路径在预定时使用分开的VID。在所示网络中，对于以包进行数据传输同样使用具有用于两个传输路径P1和P2的不同VIDs的预定中使用的标识。VID1和VID2属于公共的基本VLAN或公共的基本VID。
能够发生这样的情况，即由于改变、例如连接或网络节点的失效或取消，需要或促使GADAG的更新或新计算。
当前，出现这种失效，具体地将两个网络节点B1和B2连接的链路1失效，这在图中分别通过“...”表明，其从B1指向B2的方向并且沿反方向指向。该连接1的取消也通过图4左侧和图2左侧的比较而变得尤其显著。
鉴于链路1的取消，手动地促使GADAG的更新。手动激活更新是特别有效的，以便能够有针对性地在例如网络的计划的扩展或维修工作的结束与通过故障引起的失效之间进行区分。新计算能够在网络处的工作结束之后尤其通过网络管理员或服务技术人员手动的启动，并且例如能够通过使用网络管理系统来触发。
对于没有将两个节点B1和B2连接的链路1的拓扑得出的新的GADAG G2在图2右侧(重新通过相应的箭头)被可视化。图2中间所示的旧的、先前的GADAG G1与图2右侧所示的新GADAG G2的比较示出，对于一些连接1，GADAG的方向已经改变。具体地，这对于B3与B2之间、B1与B6之间的连接1以及对于从B1经由B4和B5至B2的路线就是这种情况。对于B3与B1之间的连接1和环区段4中的连接1而言，方向保持不变。
需注意的是，关于新GADAG G2适用的是，结果是使用具有B3作为耦合元件的两个环的流配置。能够补偿每个环的失效。还要注意的是，GADAG相同地使用所有节点B1-B9，并且不识别区段的区别。现在，具有B4和B5的“场区段”用于整个网状网络的冗余，并且尤其不再被视为分离的线。
在网络的相应的子区段或区域2、3、4中GADAG的方向的变化涉及两个路线或树。能够从图4右侧得出新树T3、T4和新路径P3、P4，新树和新路径由于根据图2中间的新GADAG G2而得出。在此，在图4右侧中又通过具有虚线的箭头示出指向新GADAG G2方向的新树T3，并且又利用具有虚线的箭头示出相反于新GADAG G2指向的新树T4。在新GADAG G2方向上的新路径P3从说话者E4经由B7、B8、B9、B3、B2和B5至收听者E8，并且新路径P4相反于新GADAG G2从说话者E4经由B7、B3、B1、B4和B5至收听者E8。
除了网络之外，也在图4中还纯示意性地示出根据CB(IEEE 802.1CB)的数据包根据两个新树T3、T4或路径P3、P4从说话者E4到收听者E8的流。此外，在此也在网络的视图中和在示意性的流图中通过设有附图标记5的方框示出：在哪个位置处发生根据CB的副本的过滤。具体地，这是能够在网络节点B3处识的情况。
在图4左侧与右侧之间的比较中变得显而易见的是，两个路径P3、P4或者树P3、P4与先前的P1、P2、T1、R2相比已经变化，具体地，仅环区段形的区域3和B3与B1之间的连接保持相同。
在图5上部中，极度简化地通过箭头示出流程。具体地，对于起始点(最左侧)存在两个路径P1、P2，路径中的一个指向GADAG G1的方向并且另一个指向相反的方向。如果在路径上(当前P1上)出现故障，这在图5中通过路径P1之上的感叹号表明，则在重配置(设有附图标记7的元素)期间造成通信(设有附图标记6的元素)的中断或失效。只有在一定时间后，新路径P3、P4才可用，新路径与P1和P2相比例如变换方向。对于改变的新的路径使用相同的VID，具体地，VID1用于P3并且VID2用于P4。
通过根据本发明的处理方式，即使在两个冗余路径由于GADAG G1、G2的改变而改变的情况下，也能够可靠地防止通信的中断。
为此提出，在先前的冗余路径T1、T2上的参与的网络节点B1-B9处的资源的先前的预定被有意地保持，并且并行地查找：在新路径T3、T4(参见图4右侧)上在参与的网络节点B1-B9处预定用于从说话者E4到收听者E8的数据传输的资源。在此，根据本发明，对于两个新路径P3、P4使用不同于前路径P1、P2的先前标识符(即VID1和VID2)的新标识符，具体是VIDs。
具体地，对于新路径P3使用VID3，并且对于新路径P4使用VID4。
需要注意的是，能够类似于颜色蓝色和红色，能够将颜色浅蓝色和浅红色与两个新路径P3、P4相关联或与路径相关联的新标识符VID3、VID4相关联，其中，适用的是，新的浅蓝路径P3指向新GADAG G2的方向并且新的浅红路径P4指向相反的方向。
在此，两个新冗余路径P3、P4上的参与的网络节点B1-B9处的资源的预定以同样由本申请人创造的WO2019/001718A1中描述的方式实现。具体地，在路径升级时由网桥B7将用于新路径的广告分布在网络中。网桥B5将用于新GADAG G2的所获得的收听者消息复制到新VID上并且将消息分布在网络中。由此产生新预定，新预定与VID1和VID2上的用于GADAG G1的现有的预定一起存在。在成功预定后，网桥B7随后能够删除用于VID1和VID2的现有的预定。为了保持原始的VIDs，网桥B7能够重复在用于GADAG G2的之前使用的VIDs(VID1和VID2)上的流公告(特别是说话者广告)。
只有在新路径P3、P4上的新预定成功时，先前的路径T1、T2上的先前的预定才被解除，并且尤其调节数据包经由两个先前的路径T1、T2的传输。
为了转发数据包尤其适用的是，发送器侧的边界节点、即B7在到达的数据包中添加VID3和VID 4，以便为这些标识符预定的资源分别在沿着各自路径的网桥中的发送端口处使用。此外，网桥B5为到达的数据包使用VID1和VID2。终端设备或在其上运行的应用不会注意到任何东西。因此存在透明度。
因为先前的预定被有针对性地维持，直到能够在所有改变的新路径P3、P4成功地再次预定资源，具有安全的资源的至少一个传输路线随时可用。
在两个新路径P3、P4上成功建立预定之后并且尤其解除在先前的路径P1、P2上的预定之后，能够执行将新的VIDs、即VID3和VID4向回、切换至旧的、先前的VIDS、即VID1和VID2。当前是这种情况。具体地，将新路径P3的VID、即VID3切换到路径P1的旧的VID、即VID1，并且新路径P4的VID、即VID4切换到P2的旧的VID、即VID2。结果，恢复原始的配置状态。
在图5下方中，再次极度简化地示出具有新路径P3、P4上(类似于图5上方)的附加的预定的流程。其中，用P3VID1和P4VID2表示两个新路径，先前的旧的标识符被再次使用。
替代于或附加于向回切换到原始VIDs，也能够保留新的VIDs、即VID3和VID4。在这种情况下，特别是接收器侧的边界节点、即B5将把到达的数据包中的VID3改变到VID1，并且将VID4改变到VID2，使得对于终端设备或终端设备上的应用得到完整的透明度。
替代于在数据传输时使用不同的标识符、特别是VIDs，也能够对于所有逻辑路径使用相同的标识符、特别是相同的VID。这尤其适用于当IEEE 802.1CB中限定的用于重复过滤的机制在多个标识符相遇的网络中的每个位置处存在或支持时。由此，能够从真正的数据传输中透明地可见逻辑标识符的变换。在构建附加的预定时，仅预定待使用新的链路上的资源，随后释放对于新路径不再需要的链路上的资源。通过具有控制平面中的不同的标识符的逻辑分离、即为了预定，保持相应的预定与路径的从属性。
在图6中示出如下情况的流程，即对于数据传输(在数据平面中)使用标识符的情况。类似于图4，图6示出网络和在其旁边的流程图框，在此是对于三个场景的流图框。相同的元素设有相同的附图标记。然而，与图4不同，在图6中的流图框中示出控制平面中的流程，而网络视图中的箭头代表包流(数据平面)。图6示出三种情况。具体地，左侧示出没有链路失效的情况，在中间示出两个网络节点B1与B2之间的链路失效(类似于图4左侧)，并且右侧示出具有新GADAG G2的情况。因为仅将一个标识符、具体地VID用于针对数据转发的两个路径，图6仅包括一个种类的箭头，具体地，仅包括具有实线的箭头。
需注意的是，网络节点B7和B5分别示出根据本发明的网络节点的实施例，网络节点构造和设计用于执行根据本发明的方法描述的实施例。
尽管详细地通过优选的实施例详细地阐述和表述了本发明，然而本发明不被所公开的实例限制，并且本领域技术人员能够在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他的变体方案。

Claims (13)

1.一种用于在具有多个网络节点的网络中故障安全数据传输的方法，其中，
-将数据包从发送器经由至少两个冗余路径传输至接收器，在所述冗余路径上使用与相应的路径相关联的标识符为所述传输预定资源，
其中，对于由于通过所述网络的改建和/或扩展引起的对于至少一个相关的路径的改变的情况，找到新路径，
-在所有冗余路径上保留先前的所述预定，
-为至少一个相关的路径得出并查找冗余的新路径，在冗余的所述新路径上在参与的所述网络节点处预定用于所述传输的资源，其中，使用与所述新路径相关联的新标识符，所述新标识符与先前的标识符不同，并且
-只要在至少一个所述新路径上成功进行新的预定，就解除在至少一个先前的相关的路径上的先前的预定，并且结束数据包的经由至少一个先前的相关的路径的传输。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述改变涉及多个路径，并且对于多个相关的路径分别计算新的冗余路径，并且所有新路径的所述新标识符彼此不同并且与先前的标识符不同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
为所述网络或所述网络的至少一部分计算推广的几乎定向的新非循环图，并且使用推广的几乎定向的新非循环图计算用于至少一个先前的相关的路径的至少一个新路径。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
所述改变涉及多个路径，为所述改变得出的新路径中的至少一个路径指向推广的几乎定向的新非循环图的方向并且至少一个路径指向相反方向，或者所述改变仅涉及先前的路径中的一个，并且在一个新路径以及一个或多个未涉及的先前的路径中，至少一个路径指向推广的几乎定向的新非循环图的方向并且至少一个路径指向相反方向。
5.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
将推广的几乎定向的新非循环图通知给参与的所述网络节点，参与的所述网络节点呈消息的组成部分的形式或作为消息的组成部分，所述消息在进行路由协议的情况下分布在所述网络中。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
使用先前的推广的几乎定向的新非循环图来计算至少两个先前的路径，并且所述先前的路径中的至少一个已经指向或指向先前的推广的几乎定向的新非循环图的方向，并且至少一个另外的先前的路径已经指向或指向相反的方向。
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在解除至少一个先前的相关的路径上的先前的预定之后，在至少一个新路径上的参与的所述网络节点处使用至少一个先前的路径的先前的标识符来执行资源的另外的预定，并且随后再次解除用于新标识符的预定。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
将流预定协议用于在参与的所述网络节点处预定资源。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
为了在至少一个新路径上的参与的所述网络节点处预定资源，作为对所述改变的响应，由最靠近所述发送器的网络节点将说话者广告发送给在至少一个新路径上沿所述接收器的方向的后续网络节点，得出多个新路径，并且为了在新路径上的参与的所述网络节点处预定资源，作为对所述改变的响应，由最靠近所述发送器的网络节点将说话者广告发送给每个新路径上沿所述接收器的方向的后续网络节点。
10.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
为了在至少一个新路径上的参与的所述网络节点处预定资源，由最靠近所述接收器的网络节点将收听者就绪发送给在至少一个新路径上沿所述发送器的方向的后续网络节点，得出多个新路径，并且为了在新路径上的参与的所述网络节点处预定资源，由最靠近所述接收器的所述网络节点将收听者就绪发送给每个新路径上沿所述发送器的方向的后续网络节点。
11.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
所述网络包括至少一个环形拓扑和/或至少一个网状拓扑。
12.一种网络节点，设计和/或设置用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
13.一种计算机可读介质，包括指令，当所述指令在至少一台计算机上执行时，所述指令使所述至少一台计算机执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的步骤。
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