CN113261220A - Tsn通信链路的故障处理 - Google Patents

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Abstract

提供了用于处理TSN网络(110)中的TSN通信链路(140)的故障的机制。一种方法由控制节点(200)执行。该方法包括基于应用参数、输入/输出要求和应用要求来估计(S102)针对端点(120a‑120N)的TSN通信的要求，其中每个端点(120a‑120N)能够使用同一网络接口通过TSN网络(110)中的TSN信道和非TSN信道进行通信。该方法包括获取(S104)TSN网络(110)中的在端点(120a‑120N)中的两个端点之间的TSN通信链路(140)的故障的指示。该方法包括执行(S106)TSN通信链路(140)的自修复。

Description

TSN通信链路的故障处理
技术领域
本文中呈现的实施例涉及用于处理时间敏感网络(TSN)网络中的TSN通信链路的故障的方法、控制节点、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
TSN是一种新兴标准，其旨在使得以太网能够具有实时能力。TSN支持不同业务类别/优先级在同一网络中共存，同时保证确定性端到端行为。在TSN系统中，表示为集中式用户配置(CUC)实体和集中式网络配置(CNC)实体的两个实体是端点设备(简称为端点)和TSN网络中的TSN配置的活动组件。诸如控制器、输入/输出(I/O)设备、传感器、致动器等工业自动化设备必须经由CUC实体向CNC实体或直接向CNC实体发出请求，以请求用于在TSN网络中进行消息传输的TSN特定时隙。CNC实体分析来自端点的请求，并且在TSN网络中分配TSN时隙以用于传送消息。CNC实体可以配置底层TSN通信骨干组件以使得端点实现确定性实时通信，以便与其他端点交换消息。如果TSN网络中的任何网桥或其他中间设备在所分配的TSN时隙内无法传输/接收消息，则该消息将不会被传输到目标端点。
IEEE 802.1AS rev2标准规定了用于网桥之间的时间同步的时间同步规范。相同的标准可以由端点使用以进行时间同步。端点之间的有效时间同步有利于时间敏感消息交换。由于时间同步问题，一个端点(表示为倾听者)可能无法从另一端点(表示为讲话者)接收消息。端点侧或网络侧的时间同步问题会影响端点之间的实时通信。端点甚至可能不知道是自己有问题还是网络或另一端点有问题。
通常，这样的通信故障的检测和故障排除可能需要人工干预。如果这样的问题在多个设备中频繁出现，则可能会影响自动化系统的操作。由于TSN网络将运营技术(OT)和信息技术(IT)合并到同一网络中，因此需要有效的机制来由端点自主检测通信故障的原因，并且还需要自动化工作流程来执行故障排除。
发明内容
本文中的实施例的一个目的是提供对TSN网络中的TSN通信链路的故障的有效处理。
根据第一方面，提出了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的方法。该方法由控制节点执行。该方法包括基于应用参数、输入/输出要求和应用要求来估计针对端点的TSN通信的要求，其中每个端点能够使用同一网络接口通过TSN网络中的TSN信道和非TSN信道进行通信。该方法包括获取TSN网络中的在端点中的两个端点之间的TSN通信链路的故障的指示。该方法包括执行TSN通信链路的自修复。
有利地，这使得能够有效地处理TSN网络中的TSN通信链路的故障。
根据第二方面，提供了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的控制节点。控制节点包括处理电路系统。处理电路系统被配置为使得控制节点：基于应用参数、输入/输出要求和应用要求来估计针对端点的TSN通信的要求，其中每个端点能够使用同一网络接口通过TSN网络中的TSN信道和非TSN信道进行通信。处理电路系统被配置为使得控制节点获取TSN网络中的在端点中的两个端点之间的TSN通信链路的故障的指示。处理电路系统被配置为使得控制节点执行TSN通信链路的自修复。
根据第三方面，提供了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的计算机程序，该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在控制节点的处理电路系统上运行时使得控制节点执行根据第一方面的方法。
根据第四方面，提出了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的方法。TSN网络包括端点和中间节点。TSN通信链路经由中间节点的第一子集在端点中的两个端点之间延伸。至少一个另外的TSN通信链路经由中间节点的第二子集在端点中的上述两个端点之间延伸。第一子集和第二子集不相同。该方法由控制节点执行。该方法包括获取TSN通信链路的故障的指示。该方法包括执行TSN通信链路的自修复。
有利地，这使得能够有效地处理TSN网络中的TSN通信链路的故障。
根据第五方面，提出了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的控制节点。TSN网络包括端点和中间节点。TSN通信链路经由中间节点的第一子集在端点中的两个端点之间延伸。至少一个另外的TSN通信链路经由中间节点的第二子集在端点中的上述两个端点之间延伸。第一子集和第二子集不相同。控制节点包括处理电路系统。处理电路系统被配置为引起控制节点获取TSN通信链路的故障的指示。处理电路系统被配置为使得控制节点执行TSN通信链路的自修复。
根据第六方面，提供了一种用于处理TSN网络中的TSN通信链路的故障的计算机程序，该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在控制节点的处理电路系统上运行时使得控制节点执行根据第四方面的方法。
根据第七方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据第三方面和第六方面中的至少一个方面的计算机程序以及其上存储有该计算机程序的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是非暂态计算机可读存储介质。
从以下详细公开、所附权利要求以及附图，所附实施例的其他目的、特征和优点将很清楚。
一般而言，除非本文中另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语均应当根据其在技术领域中的通常含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一个/一个/该元件、设备、组件、装置、模块、步骤等”的所有引用均应当被公开解释为指代元件、设备、组件、装置、模块、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。
附图说明
现在参考附图通过示例的方式描述本发明构思，在附图中：
图1、2、8、9、10是示出根据实施例的工业系统的示意图；
图3、4、5、6和7是根据实施例的方法的流程图；
图11是示出根据实施例的控制节点的功能单元的示意图；
图12是示出根据实施例的控制节点的功能模块的示意图；以及
图13示出了根据实施例的包括计算机可读存储介质的计算机程序产品的一个示例。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，附图中示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以以很多不同形式体现并且不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例是通过示例的方式提供的使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元素。由虚线所示的任何步骤或特征都应当被视为可选的。
图1是示出可以在其中应用本文中提出的实施例的工业系统100a的示意图。工业系统100a包括企业资源管理部分101、生产计划和跟踪部分102(其可以包括工厂信息管理系统(PIMS)、协同生产管理(CPM)系统等)、控制和操作部分103(其可以包括分布式控制系统(DCS)、监控和数据采集(SCADA)系统等)、仪器和智能电子设备(IED)部分104(其可以包括测量仪器、传感器、致动器、本地和远程输入/输出接口、机器、工具、机器人等)、服务中心104、云计算环境106和网关107。部分101-104中的一个或多个包括端点120a-120N。下面将给出端点120a-120N的示例。如将参考图2进一步公开的，部分101-104总体上、特别是端点120a-120N被配置为通过网络彼此(以及与服务中心105)通信。在网关107和/或云计算环境106中提供有控制节点200。
图2是示出可以在其中应用本文中提出的实施例的工业系统100b的示意图。图2可以被视为提供图1的工业系统100a的另一视角。在图2中，图1的工业系统100a由其端点120a-120N以及端点120a-120N被配置为在其上通信的网络表示。这些端点120a-120N可以是图1中的部分101-104中的任何一个的一部分，并且因此网络可以根据需要在图1中的部分101-104中的两个或更多个之间延伸，以便使得端点120a-120N能够彼此(以及与服务中心)通信。
工业系统100b因此包括端点120a、120b、120c、120d、120e、120N和网络110。端点120a-120N可以有不同示例。在一些示例中，端点120a-120N是工业厂房设备。工业厂房设备的非限制性示例是传感器、致动器、控制器、人机界面(HMI)、工程工具、相机等。端点120a-120N可能需要实时操作并且彼此通信，以便工业系统100a、100b能够正确操作。因此，端点120a-120N可以被称为实时操作端点120a-120N。在一些示例中，端点120a-120N是联网嵌入式系统的一部分。因此，在一些示例中，工业系统100a、100b是联网嵌入式系统。此外，联网嵌入式系统可以是用于控制工业厂房或过程的分布式控制系统。
进而，网络110包括中间节点130a、130b、130c、130d、130M，诸如网桥、交换机、路由器或网关。中间节点130a-130M被配置为在网络110中路由分组并且从而使得端点120a-120N能够通过通信链路140彼此通信。通信链路140是有线的。也就是说，在一些方面，每个通信链路是有线通信链路。端点120a-120N和控制节点200被配置为通过通信链路150彼此通信。在一些实施例中，网络110是TSN网络110，并且因此通信链路140是TSN通信链路140。在一些示例中，端点120a-120N中的至少一些端点是TSN感知的并且因此被配置或以其他方式启用以在TSN网络110中操作。
本文中公开的实施例涉及用于处理TSN网络110中的TSN通信链路140的故障的机制。为了获取这样的机制，提供了控制节点200、由控制节点200执行的方法、包括代码(例如，以计算机程序的形式)的计算机程序产品，该代码当在控制节点200上运行时引起控制节点200执行该方法。
由于多种原因，网络中的两个端点120a-120N之间的实时确定性通信可能会失败。一些示例是由于端点120a-120N之间的时钟同步问题或者TSN网络110中的底层网桥或其他类型的中间节点130a-130M之间的时钟同步问题等。通常，端点120a-120N之间的实时确定性通信故障不允许端点120a-120N传送其与通信故障相关的状态。相反，端点120a-120N应当停止其操作或者将其状态改变为安全模式操作。实时通信故障的修理可能需要人工干预。
与传统的实时确定性通信方法(诸如EtherCAT、Profinet等)不同，TSN标准提供了灵活的配置设置。TSN标准通信骨干网通常在网络中支持四种通信业务类别。它们是“尽力而为业务”、“优先业务”、“流预留业务”和“调度业务”。“流预留”和“调度业务”是现有IEEE802.1标准中新增的IEEE TSN。“调度业务”用于时间敏感的实时确定性通信。IEEE 802.1ASRev2为网桥时间同步定义了时间同步简档。网桥的传输和接收门以这样的方式而被时间同步，即时间敏感业务理想地通过所有网桥的门而没有任何等待队列。IEEE TSN通信骨干网分别为不同业务类别预留带宽。因此，相同的通信骨干网可以同时用于TSN和非TSN业务。
根据本文中公开的实施例，提出了用于处理充当讲话者和倾听者的端点120a-120N之间的TSN通信故障的机制。控制节点200可以估计端点120a-120N之间的TSN通信业务。每个端点配备有非TSN通信端口，该非TSN通信端口使用非TSN通信与控制节点200和其他端点120a-120N的非TSN通信端口进行通信。在TSN通信故障的情况下，端点120a-120N使用其非TSN通信端口来发起与控制节点200和其他端点120a-120N的通信以自主执行自修复操作。
图3是示出用于处理TSN网络110中的TSN通信链路140的故障的方法的实施例的流程图。该方法由控制节点200执行。该方法有利地被提供作为计算机程序1320。
S102：控制节点200基于应用参数、输入/输出要求和应用要求来估计端点120a-120N的TSN通信要求。每个端点能够使用同一网络接口通过TSN网络110中的TSN信道和非TSN信道进行通信。因此，步骤S102可以涉及执行以上公开的第一阶段和第二阶段中的至少一些。如上所述，每个端点120a-120N可以包括用于TSN网络110中的TSN通信的TSN通信端口和用于TSN网络110中的非TSN通信的非TSN通信端口。
S104：控制节点200获取TSN网络110中的在端点120a-120N中的两个端点之间的TSN通信链路140的故障的指示。
S106：控制节点200执行TSN通信链路140的自修复。
现在将公开与由网络节点200执行的处理TSN网络110中的TSN通信链路140的故障的其他细节有关的实施例。
可以在智能网络实体中(诸如在中间节点130a-130M、端点120a-120N、控制节点200、CUC实体和/或CNC实体中的任何一个中)检测到TSN通信链路140的故障。用于减轻故障的举措可以来自TSN网络110中存在故障意识的任何地方(而不是仅依赖于可能反应太慢的CNC实体)。自修复可能导致向CNC实体请求新的网络配置。
可以有不同的方式来执行步骤S102中的估计。在一些示例中，在步骤S102中的估计期间，针对基于TSN的通信和基于非TSN的通信标记过程参数。在一些示例中，在步骤S102中的估计期间，利用应用层协议信息标记过程参数。在一些示例中，在步骤S102中的估计期间，估计每个端点120a-120N的所需要的TSN通信业务。
可以有不同的方式来获取步骤S104中的指示。现在将公开与其相关的实施例。
在一些方面，当充当倾听者的端点120a-120N检测到没有从充当讲话者的端点接收到分组时，倾听者激活非TSN通信端口并且开始发送多播用户数据报协议(UDP)消息。多播UDP消息被发送到TSN网络110中的一组成员，包括控制节点200、讲话者和倾听者。因此，根据一个实施例，控制节点200被配置为执行(可选)步骤S104a作为获取步骤S104中的指示的一部分：
S104a：控制节点200从端点120a-120N中充当倾听者的一个端点的非TSN通信端口接收多播UDP消息。该消息指示充当倾听者的端点已经检测到没有从端点120a-120N中充当讲话者的一个端点接收到分组。
在一些方面，该指示通过检测任何可能的时间同步丢失来获取。特别地，根据一个实施例，控制节点200被配置为执行(可选)步骤S104b作为步骤S104的一部分：
S104b：控制节点200检测端点120a-120N相对于彼此时间不同步。
在一些方面，当讲话者应用有问题时，所有倾听者将激活非TSN通信端口并且向该组成员发送讲话者故障消息。因此，根据一个实施例，控制节点200被配置为执行(可选)步骤S104c作为步骤S104的一部分：
S104c：控制节点200从端点120a-120N中充当倾听者的非TSN通信端口接收讲话者故障消息。讲话者故障消息指示应用在端点120a-120N中充当讲话者的一个端点处受损。
在一些示例中，作为步骤S104中的检测的结果，当发生TSN通信时，非TSN通信端口被停用。
可以有不同的方式来执行步骤S106中的自修复。现在将公开与其相关的实施例。
在一些方面，讲话者向充当CUC实体的控制节点200报告。也就是说，根据一个实施例，在自修复期间，控制节点200充当TSN网络110中的CUC实体。
在一些方面，CUC实体与至少一个CNC实体一起被配置为作为执行自修复的一部分来协调和解决TSN通信链路140的故障。也就是说，根据一个实施例，控制节点200被配置为在自修复期间与至少一个CNC实体通信以协调和解决TSN通信链路140的故障。
如上面参考图2中的示例所公开的，在一些方面，TSN网络110还包括中间节点130a-130M。TSN通信链路140然后经由中间节点130a-130M的第一子集在端点120a-120N中的两个端点之间延伸。此外，在一些方面，至少一个另外的TSN通信链路140经由中间节点130a-130M的第二子集在两个端点120a-120N之间延伸。第一子集和第二子集不相同。这使得在两个端点120a-120N之间传送的分组能够在TSN网络110中采用不同路由。
如下面将参考图8进一步公开的，根据一个实施例，复制分组在TSN通信链路140和至少一个另外的TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间被传送。根据本实施例，控制节点200被配置为执行(可选)步骤S106a作为执行步骤S106中的自修复的一部分：
S106a：控制节点200将TSN通信链路140替换为经由中间节点130a-130M的第三子集在两个端点120a-120N之间延伸的又一另外的TSN通信链路140。第三子集既与第一子集不相同，也与第二子集不相同。
如下面将参考图9进一步公开的，根据一个实施例，在步骤S104中检测TSN通信链路140的故障之前，分组在TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间被传送，并且在步骤S106中的自修复期间，分组改为在至少一个另外的TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间被传送。
如下面将参考图10进一步公开的，根据一个实施例，在步骤S104中检测TSN通信链路140的故障之前，相应非复制分组在TSN通信链路140和至少一个另外的TSN通信链路140中的每个通信链路上在两个端点120a-120N之间被传送。然后，在步骤S106中的自修复期间，在已经在步骤S104中检测到故障的TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间传送的分组被丢弃。这使得能够实现隐式自修复。
一旦检测到TSN通信链路140的故障和/或一旦执行了自修复，控制可以有不同的方式来动作。在一些方面，服务请求被发送，该服务请求带有关于需要什么维护来恢复丢失的系统功能的指令。因此，根据一个实施例，控制节点200被配置为执行步骤S108：
S108：控制节点200发出针对TSN通信链路140的维护服务的请求。
一般而言，启用TSN的工业端点120a-120N可能会经历多个阶段，其中第一阶段是配置阶段。在这个阶段，TSN网络110的控制节点200配置端点120a-120N。一般而言，有两种通信参数要被配置。第一类型的通信参数是非TSN通信参数，第二类型的通信参数是TSN通信参数。
启用TSN的工业端点120a-120N可以配置有不同功能。一些功能与配置、固件更新、诊断、执行控制功能等有关。对于这些功能中的每个功能，端点120a-120N需要通过TSN网络110与其他应用或设备通信。然而，所有这些功能的数据交换都不需要实时确定性通信。对于一些功能，传统的尽力而为通信就足够了。因此，为了有效利用TSN网络110中的通信带宽，可以为TSN网络110中的基于TSN的通信选择需要具有实时通信的关键过程参数，并且可以为TSN网络110中的基于非TSN的通信配置其他剩余通信。因此，控制节点200可以被配置为估计针对给定端点120a-120N的基于TSN的通信的数据和基于非TSN的通信的数据，并且因此估计总TSN业务量。可以采用以下方法来估计TSN业务。给定时间t的应用数据传输的总量可以写为：
Figure BDA0003143709370000101
其中，
Pn＝设备的参数，其中n＝1≤M，M是参数的最大数目
Sn＝以字节为单位的每个参数的大小
TFk＝以秒为单位的设备功能的平均数据更新速率
Ahk＝应用层协议报头的平均大小
Dh＝数据链路报头分组
NT＝t时的总数据传输速率。
针对端点的所估计的TSN业务可以写为：
Figure BDA0003143709370000111
其中，
NT_tsn＝时间t时的所估计的TSN数据传输速率
Pn_tsn＝要通过TSN通信信道进行交换的参数
Sn_tsb＝以字节为单位的每个参数的大小
图4是用于为端点120a-120N配置参数的实施例的流程图。
S301：为端点120a-120N设置应用参数、输入/输出要求、应用要求等。
S302：基于在步骤S301中设置的参数来估计针对每个端点120a-120N的所需要的TSN业务。
S303：为端点120a-120N配置在步骤S301中设置的参数以及用于TSN通信和非TSN通信两者的参数。
S304：部署端点120a-120N并且将其可操作地连接到TSN网络110。
S305：请求时隙的调度，该时隙要被分配到端点120a-120N以在TSN网络110中进行通信。
S306：如果请求被接受，则进入步骤S307。如果请求未被接受，则进入步骤S309。
S307：确定时隙的调度。
S308：为端点120a-120N配置调度信息。
S309：流程中止，并且生成错误(诸如以错误消息的形式)。
第二阶段是在第一阶段成功完成之后的配置验证阶段。端点被部署在TSN网络110中并且可操作地连接到TSN网络110中的中间节点130a-130M，诸如网桥。在部署之后，端点可以执行配置验证测试以验证TSN配置。端点可以具有至少两个通信端口。第一端口用于TSN通信，并且第二端口用于非TSN通信。第二端口称为TSN诊断端口(TDP)。TDP用于与控制节点200和其他端点120a-120N的TDP端口通信。
图5和图6是配置验证阶段的实施例的流程图。
S401：充当讲话者的端点120a-120N通过使用TSN通信向TSN网络110中的其他端点发送模拟分组来发起TSN通信验证过程。
S402：充当倾听者的一个或多个端点120a-120N在成功接收到使用TSN通信的模拟分组时使用非TSN通信利用确认消息响应于充当讲话者的端点120a-120N。确认消息包括TSN通信的通信延迟信息。
S403：充当讲话者的端点120a-120N验证TSN通信的通信延迟。
S404：如果通信延迟可接受，则进入步骤S405。如果通信延迟不可接受，则进入步骤S406。
S405：充当讲话者的端点120a-120N和充当倾听者的一个或多个端点120a-120N退出TSN通信验证过程。
S406：充当讲话者的端点120a-120N向控制节点200报告通信延迟不可接受。
S407：控制节点200请求延迟改善(在控制节点200本身不负责调度要分配给端点以在TSN网络110中进行通信的时隙的情况下)。
S408：将一个或多个时隙分配给充当讲话者的端点120a-120N。
S409：基于已经分配给充当讲话者的端点的新的一个或多个时隙来重新配置端点120a-120N。然后再次进入步骤S401。
S501：充当倾听者的端点120a-120N检测到TSN网络110中的TSN通信链路140的故障，例如由于没有从充当讲话者的端点120a-120N接收到被调度的消息。
S502：充当倾听者的端点120a-120N通过非TSN通信链路向充当讲话者的端点120a-120N通知故障。
S503：充当倾听者的端点120a-120N和充当讲话者的端点120a-120N各自执行自诊断，以确定故障是否是由端点120a-120N中的一个端点引起的或与端点120a-120N中的一个端点有关。
S504：如果确定故障是由端点120a-120N中的一个端点引起的或与端点120a-120N中的一个端点有关，则进入步骤S505。如果确定故障不是由端点120a-120N中的一个端点引起或不与端点120a-120N中的一个端点有关，则进入步骤S506。
S505：充当倾听者的端点120a-120N和充当讲话者的端点120a-120N中的至少一个端点通过非TSN通信链路向TSN网络110中的其他端点120a-120N报告故障。
S506：充当倾听者的端点120a-120N和充当讲话者的端点120a-120N中的至少一个端点通过非TSN通信链路向控制节点200以及TSN网络110中的其他端点120a-120N报告故障。然后，可以再次进入步骤S406。
步骤S301-S507中的任何一个步骤可以与步骤S102-S108和/或S202-S206结合(其中步骤S202-S206将在下文被公开)。
现在将公开自修复的其他方面、特别是与TSN网络110中的冗余功能的自动恢复相关的方面。图7是示出用于处理TSN网络110中的TSN通信链路140的故障的方法的其他实施例的流程图。该方法由控制节点200执行。该方法有利地被提供作为计算机程序1320。
在这些实施例中，TSN网络110包括端点120a-120N和中间节点130a-130M。TSN通信链路140经由中间节点130a-130M的第一子集在端点120a-120N中的两个端点之间延伸，并且至少一个另外的TSN通信链路140经由中间节点130a-130M的第二子集在两个端点120a-120N之间延伸，并且第一子集和第二子集不相同。
S202：控制节点200获取TSN通信链路140的故障的指示。与获取TSN通信链路140的指示有关的任何上述实施例都是适用的。
S204：控制节点200执行TSN通信链路140的自修复。
现在将公开与由网络节点执行的处理TSN网络110中的TSN通信链路140的故障的其他细节有关的实施例。
自修复可以作为对TSN通信链路140的故障的响应而自动执行。这里在以下各项之间进行区分：
·MTTRlogical：用于通过自动自修复(可能涉及网络重新配置)
来进行维修的平均时间。通常需要几秒钟或几分钟才能完成。
·MTTRphysical：用于通过替换故障物理组件来进行维修的平均时间。通常需要几小时或几天才能完成。
从系统级角度来看，无论MTTR是采用MTTRlogical动作还是MTTRphysical动作的形式，高MTBF(平均故障间时间)和低MTTR都提高了可用性。
以下将公开通过不仅探索MTTRphysical动作，而且通过自动探索TSN网络110中的MTTRlogical动作来增加可用性的手段。
可以有不同的方式来执行步骤S204中的TSN通信链路140的自修复。现在将依次描述与其相关的不同实施例。
第一实施例涉及根据IEEE 802.1CB的冗余TSN业务流的自动恢复并且在图8中示出。图8是示出类似于图2的工业系统100c的示意图，该工业系统100c包括被配置为通过TSN通信链路140和通信链路150彼此通信的两个端点120a、120b、九个中间节点130a-130i和一个控制节点200。端点120a、120b通过路径P1、P2、P3彼此通信，其中在前两个网络周期期间，分组通过路径P1和P2被成功传送，其中在第三网络周期期间，中间节点130e处出现故障，导致通过路径P2传送的分组无法传递(如图8的底部部分的交叉分组所示)，并且其中响应于此，在最后两个网络周期期间，分组改为通过路径P1和P3被传送。在图8的说明性示例中，路径P1经由中间节点130d、130g、130e、130f在两个端点120a、120b之间延伸。在这点上，使用双TSN通信链路140的配置使得能够使用大量时间来检测故障并且使CNC找到新的冗余TSN通信链路140，同时仍然具有完全可操作的系统。特别地，根据第一实施例，复制分组在TSN通信链路140和至少一个另外的TSN通信链路140上在端点120a-120N中的两个端点之间被传送。根据该实施例，控制节点200被配置为执行(可选)步骤S204a作为执行步骤S204中的自修复的一部分：
S204a：控制节点200将TSN通信链路140替换为经由中间节点130a-130M的第三子集在两个端点120a-120N之间延伸的又一另外的TSN通信链路140。第三子集既与第一子集不相同，也与第二子集不相同。
有利地，该第一实施例导致与仅依赖于人为干预来恢复丢失的冗余的MTTRphysical有关的更短的MTTRlogical(替换导致TSN通信链路140的故障的故障硬件，该硬件可能有或可能没有库存用于替换)。
第二实施例涉及非冗余TSN流的自动恢复并且在图9中示出。图9是示出类似于图2的工业系统100d的示意图，该工业系统100d包括被配置为通过TSN通信链路140和通信链路150彼此通信的两个端点120a、120b、九个中间节点130a-130i和一个控制节点200。端点120a、120b通过路径P1、P2彼此通信，其中在前两个网络周期期间，分组通过路径P1被成功传送，其中在第三网络周期期间，中间节点130e处出现故障，导致通过路径P1传送的分组无法传递(如图9的底部部分的交叉分组所示)，并且其中响应于此，在最后两个网络周期期间，分组改为通过路径P2被传送。在这点上，在若干连续错误之后，TSN通信链路140故障激活预先部署的冗余替代TSN通信链路140配置以在系统进入故障安全模式之前替换故障TSN通信链路140。特别地，根据第二实施例，在步骤S202中检测TSN通信链路140的故障之前，分组在TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间被传送，并且在步骤S204中的自修复期间，分组改为在至少一个另外的TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间被传送。
这是IEEE 802.1CB行为的替代方案，其不会消耗任何额外带宽(因为不需要传输复制分组)。相反，网络节点能够使用分布式错误检测立即从一个TSN通信链路140切换到另一TSN通信链路。这是有利的，因为使用TSN讲话者和倾听者的应用被使得能够连续处理若干分组的丢失，而不会出现任何严重系统故障。有利地，该第二实施例可以从特别是尽力而为队列(其中没有保证适用于替代TSN通信链路140)中无缝地分配网络带宽。原始TSN通信链路140的带宽被解除分配使得其可用于尽力而为业务。这表示，从原始TSN通信链路140到替代TSN通信链路140的这种切换不会消耗来自尽力而为队列的任何更多带宽。
第三实施例涉及使用多个非冗余TSN通信链路140的冗余，而不是如IEEE 802.1CB中的冗余TSN通信链路140，并且在图10中示出，图10示出了其中使用四个不同TSN通信链路140的非限制性示例。图10是示出类似于图2的工业系统100e的示意图，该工业系统100e包括被配置为通过TSN通信链路140和通信链路150彼此通信的两个端点120a、120b、九个中间节点130a-130i和一个控制节点200。端点120a、120b通过路径P1、P2、P3、P4彼此通信，其中在前五个网络周期期间，分组分别通过路径P1、P2、P3、P4和P1被成功传送，并且其中在最后的第三网络周期期间，中间节点130h处出现故障，导致通过路径P2传送的分组无法传递(如图10的底部部分的交叉分组所示)。特别地，根据第三实施例，在步骤S202中检测TSN通信链路140的故障之前，相应非复制分组在TSN通信链路140和至少一个另外的TSN通信链路140中的每个通信链路上在两个端点120a-120N之间被传送。然后，在步骤S204中的自修复期间，在步骤S202中检测到故障的TSN通信链路140上在两个端点120a-120N之间传送的分组被丢弃。这使得能够实现隐式自修复。该实施例探索了如下事实，即，很多工业控制系统被实现为处理一定数目的连续分组的丢失，而不会出现任何严重故障。与根据IEEE 802.1CB使用具有复制分组消除的复制的双TSN通信链路140的第一实施例相反，分组在相应TSN通信链路140上被循环地交错。
控制节点200因此可能不仅标识、确定和/或选择用于整个TSN网络110的工作重新配置，而且还预先找到能够在可能发生在TSN网络110中的任何单点故障(如由TSN通信链路140的故障所定义的)的情况下恢复冗余的一组完整的网络重新配置动作。通过确保对于任何单点故障都有网络重新配置的可能性并且确保这些网络重新配置将被控制节点200自动请求和部署，本文中公开的方法保证了从单点故障的超快速恢复(MTTRlogical)，而无需任何人为服务动作。通过还使用MTTRlogical度量而不是仅MTTRphysical度量，本文中公开的方法使得TSN网络110能够自动且快速地(无需人工干预)减少MTTR。控制节点200可以预先标识、确定和/或选择能够在可能发生在TSN网络110中的任何双点故障的情况下恢复冗余的一组完整的网络重新配置动作。
如上所述，在一些方面，发送具有指令的服务请求，该指令关于需要什么维护以恢复丢失的系统功能。因此，根据一个实施例，控制节点200被配置为执行步骤S206：
S206：控制节点200发出针对TSN通信链路140的维护服务的请求。
图11在功能单元的数目方面示意性地示出了根据实施例的控制节点200的组件。处理电路系统210使用能够执行存储(例如，以存储介质230的形式)在计算机程序产品1310(如图13中)中的软件指令的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中的一个或多个的任何组合来提供。处理电路系统210还可以被提供作为至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
特别地，处理电路系统210被配置为引起控制节点200执行一组操作或步骤，如上面所公开的。例如，存储介质230可以存储该组操作，并且处理电路系统210可以被配置为从存储介质230检索该组操作以使得控制节点200执行该组操作。该组操作可以被提供作为一组可执行指令。
因此，处理电路系统210由此被布置为执行如本文中公开的方法。存储介质230还可以包括永久存储，该永久存储例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装存储器中的任何一个或组合。控制节点200还可以包括至少被配置用于与网络110的其他实体、功能、节点和设备进行通信的通信接口220。因此，通信接口220可以包括一个或多个传输器和接收器，该一个或多个传输器和接收器包括模拟和数字组件。处理电路系统210控制控制节点200的一般操作，例如通过向通信接口220和存储介质230发送数据和控制信号，通过从通信接口220接收数据和报告，以及通过从存储介质230检索数据和指令。为了不混淆本文中提出的概念，省略了控制节点200的其他组件以及相关功能。
图12在功能模块的数目方面示意性地示出了根据实施例的控制节点200的组件。图12的控制节点200包括多个功能模块：被配置为执行步骤S102的估计模块210a；被配置为执行步骤S104、S202的获取模块210b；被配置为执行步骤S106、S204的自修复模块210f。图12的控制节点200还可以包括多个可选功能模块，诸如被配置为执行步骤S104a的接收模块210c、被配置为执行步骤S104b的检测模块210d、被配置为执行步骤S104c的接收模块210e、被配置为执行步骤S106a、S204a的替换模块210g、以及被配置为执行步骤S108、S206的发出模块210h中的任何一个。
一般而言，在一个实施例中，每个功能模块210a-210h可以仅以硬件实现，而在另一实施例中借助软件来实现，即，后一实施例具有存储在存储介质230上的计算机程序指令，该计算机程序指令当在处理电路系统上运行时使控制节点200执行上面结合图12描述的对应步骤。还需要说明的是，即使这些模块对应于计算机程序的部分，它们在其中也不需要是单独的模块，但是它们以软件实现的方式取决于所使用的编程语言。优选地，一个或多个或者所有功能模块210a-210h可以由处理电路系统210实现，可能与通信接口220和/或存储介质230协作。处理电路系统210因此可以被配置为从存储介质230中取回由功能模块210a-210h提供的指令并且执行这些指令，从而执行如本文中公开的任何步骤。
控制节点200可以被提供作为独立设备或作为至少一个另外的设备的一部分。例如，控制节点200或至少其在本文中公开的功能可以在为ABB能力服务而配置的工业系统100a、100b的网关107中提供。替代地，控制节点200的功能可以分布在至少两个设备或节点之间。这些至少两个节点或设备可以是同一网络部分的一部分，或者可以分布在至少两个这样的网络部分之间。作为示例，控制节点200的可以访问有限计算资源的第一部分可以在工业系统100a、100b的前提下实现，并且仅对带时间戳的事件日志条目执行有限的大数据分析，而控制节点200的可以访问更大量计算资源的第二部分可以在计算云环境中实现，并且对带时间戳的事件日志条目执行更多无限制的大数据分析。因此，控制节点200的第一部分可以充当控制节点200的第二部分的预处理器，从而减少必须传送到控制节点200的第二部分的数据量。另外，控制节点200的第一部分可以由控制节点200的第二部分配置。控制节点200的第一部分可以被实现为在一侧与控制节点200的第二部分接口连接，并且在另一侧与工业系统100a、100b的生产、规划和跟踪系统和/或控制和操作系统接口连接。
因此，由控制节点200执行的指令的第一部分可以在第一设备中执行(如由控制节点200的第一部分定义的)，并且由控制节点200执行的指令的第二部分可以在第二设备中执行(如由控制节点200的第二部分定义的)；本文中公开的实施例不限于可以在其上执行由控制节点200执行的指令的任何特定数目的设备。因此，根据本文中公开的实施例的方法适合于由驻留在云计算环境106中的控制节点200执行。因此，尽管图11中示出了单个处理电路系统210，但是处理电路系统210可以分布在多个设备或节点之间。这同样适用于图12的功能模块210a-210h和图13的计算机程序1320。
图13示出了包括计算机可读存储介质1330的计算机程序产品1310的一个示例。在该计算机可读存储介质1330上，可以存储有计算机程序1320，该计算机程序1320可以使得处理电路系统210及其操作上耦合的实体和设备(诸如通信接口220和存储介质230)执行根据本文中描述的实施例的方法。计算机程序1320和/或计算机程序产品1310因此可以提供用于执行本文中公开的任何步骤的手段。
在图13的示例中，计算机程序产品1310被示出为光盘，诸如CD(压缩盘)或DVD(数字通用盘)或蓝光盘。计算机程序产品1310还可以体现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更具体地体现为外部存储器中的设备的非易失性存储介质，诸如USB(通用串行总线)存储器或闪存，诸如紧凑型闪存。因此，虽然这里将计算机程序1320示意性地示出为所描绘的光盘上的轨道，但计算机程序1320可以以适合于计算机程序产品1310的任何方式存储。
上面已经主要参考几个实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附专利权利要求所限定的本发明构思的范围内，除以上公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。

Claims (29)

1.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的方法，所述方法由控制节点(200)执行，所述方法包括：
基于应用参数、输入/输出要求和应用要求，来估计(S102)针对端点(120a-120N)的TSN通信的要求，其中每个端点(120a-120N)能够使用同一网络接口通过所述TSN网络(110)中的TSN信道和非TSN信道进行通信；
获取(S104)所述TSN网络(110)中的在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间的TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行(S106)所述TSN通信链路(140)的自修复。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个端点(120a-120N)包括用于所述TSN网络(110)中的TSN通信的TSN通信端口和用于所述TSN网络(110)中的非TSN通信的非TSN通信端口。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述估计期间，过程参数针对基于TSN的通信和基于非TSN的通信而被标记。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述估计期间，过程参数利用应用层协议信息而被标记。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述估计期间，针对每个端点(120a-120N)的所需要的TSN通信业务被估计。
6.根据权利要求2所述的方法，其中作为获取所述指示的结果，当发生TSN通信时，所述非TSN通信端口被停用。
7.根据权利要求1所述的方法，其中获取所述指示还包括：
从所述端点(120a-120N)中充当倾听者的一个端点的所述非TSN通信端口接收(S104a)多播用户数据报协议UDP消息，所述消息指示充当倾听者的所述端点(120a-120N)已经检测到没有从所述端点(120a-120N)中充当讲话者的的一个端点接收到分组。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中获取所述指示还包括：
检测(S104b)所述端点(120a-120N)相对于彼此时间不同步。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中获取所述指示还包括：
从所述端点(120a-120N)中充当倾听者的一个端点的所述非TSN通信端口接收(S104c)讲话者故障消息，所述讲话者故障消息指示应用在所述端点(120a-120N)中充当讲话者的一个端点处受损。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述自修复期间，所述控制节点(200)充当所述TSN网络(110)中的集中式用户配置CUC实体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述自修复期间，所述控制节点(200)被配置为与至少一个集中式网络配置CNC实体通信，以用于协调和解决所述TSN通信链路(140)的所述故障。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述TSN网络(110)还包括中间节点(130a-130M)，其中所述TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第一子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸，其中至少一个另外的TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第二子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸，并且其中所述第一子集和所述第二子集不相同。
13.根据权利要求12所述的方法，其中复制分组在所述TSN通信链路(140)和所述至少一个另外的TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中执行所述自修复还包括：
将所述TSN通信链路(140)替换(S106a)为经由所述中间节点(130a-130M)的第三子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸的又一另外的TSN通信链路(140)，其中所述第三子集既与所述第一子集不相同，也与所述第二子集不相同。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在检测所述TSN通信链路(140)的所述故障之前，分组在所述TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中在所述自修复期间，所述分组改为在所述至少一个另外的TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送。
15.根据权利要求12所述的方法，其中在检测所述TSN通信链路(140)的所述故障之前，相应非复制分组在所述TSN通信链路(140)和所述至少一个另外的TSN通信链路(140)中的每个通信链路上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中在所述自修复期间，在所述TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间传送的所述分组被丢弃。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
发出(S108)针对所述TSN通信链路(140)的维护服务的请求。
17.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的方法，其中所述TSN网络(110)包括端点(120a-120N)和中间节点(130a-130M)，其中TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第一子集在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间延伸，其中至少一个另外的TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第二子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸，并且其中所述第一子集和所述第二子集不相同，所述方法由控制节点(200)执行，所述方法包括：
获取(S202)所述TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行(S204)所述TSN通信链路(140)的自修复。
18.根据权利要求17所述的方法，其中复制分组在所述TSN通信链路(140)和所述至少一个另外的TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中执行所述自修复还包括：
将所述TSN通信链路(140)替换(S204a)为经由所述中间节点(130a-130M)的第三子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸的又一另外的TSN通信链路(140)，其中所述第三子集既与所述第一子集不相同，也与所述第二子集不相同。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在检测所述TSN通信链路(140)的所述故障之前，分组在所述TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中在所述自修复期间，所述分组改为在所述至少一个另外的TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送。
20.根据权利要求17所述的方法，其中在检测所述TSN通信链路(140)的所述故障之前，相应非复制分组在所述TSN通信链路(140)和所述至少一个另外的TSN通信链路(140)中的每个通信链路上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间被传送，并且其中在所述自修复期间，在所述TSN通信链路(140)上在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间传送的所述分组被丢弃。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，还包括：
发出(S206)针对所述TSN通信链路(140)的维护服务的请求。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个TSN通信链路(140)是有线通信链路。
23.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的控制节点(200)，所述控制节点(200)包括处理电路系统(210)，所述处理电路系统被配置为使得所述控制节点(200)：
基于应用参数、输入/输出要求和应用要求，来估计针对端点(120a-120N)的TSN通信的要求，其中每个端点(120a-120N)能够使用同一网络接口通过所述TSN网络(110)中的TSN信道和非TSN信道进行通信；
获取所述TSN网络(110)中的在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间的TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行所述TSN通信链路(140)的自修复。
24.根据权利要求23所述的控制节点(200)，还被配置为执行根据权利要求2至16或22中任一项所述的方法。
25.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的控制节点(200)，其中所述TSN网络(110)包括端点(120a-120N)和中间节点(130a-130M)，其中TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第一子集在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间延伸，其中至少一个另外的TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第二子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸，并且其中所述第一子集和所述第二子集不相同，所述控制节点(200)包括处理电路系统(210)，所述处理电路系统被配置为使得所述控制节点(200)：
获取所述TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行所述TSN通信链路(140)的自修复。
26.根据权利要求25所述的控制节点(200)，还被配置为执行根据权利要求18至22中任一项所述的方法。
27.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的计算机程序(1320a)，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码当在控制节点(200)的处理电路系统(210)上运行时使得所述控制节点(200)：
基于应用参数、输入/输出要求和应用要求，来估计(S102)针对端点(120a-120N)的TSN通信的要求，其中每个端点(120a-120N)能够使用同一网络接口通过所述TSN网络(110)中的TSN信道和非TSN信道进行通信；
获取(S104)所述TSN网络(110)中的在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间的TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行(S106)所述TSN通信链路(140)的自修复。
28.一种用于处理时间敏感网络TSN网络(110)中的TSN通信链路的故障的计算机程序(1320b)，其中所述TSN网络(110)包括端点(120a-120N)和中间节点(130a-130M)，其中TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第一子集在所述端点(120a-120N)中的两个端点之间延伸，其中至少一个另外的TSN通信链路(140)经由所述中间节点(130a-130M)的第二子集在所述端点(120a-120N)中的所述两个端点之间延伸，并且其中所述第一子集和所述第二子集不相同，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码当在控制节点(200)的处理电路系统(210)上运行时使得所述控制节点(200)：
获取(S202)所述TSN通信链路(140)的故障的指示；以及
执行(S204)所述TSN通信链路(140)的自修复。
29.一种计算机程序产品(1310a、1310b)，包括：
根据权利要求27和28中至少一项所述的计算机程序(1320a、1320b)，以及
计算机可读存储介质(1330)，其上存储有所述计算机程序。
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