CN113302886B - 用于运行具有冗余路由器的通信系统的方法和路由器 - Google Patents

Abstract

在具有冗余的路由器的通信系统内，根据存储在路由器的路由表中的路由信息，由路由器(101‑106)将数据报从源通信设备转发到目标通信设备。针对通信终端设备(201‑203)分别将配有由多个路由器组成的组(11、12)的虚拟路由器配置为默认网关。源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互选出作为激活的默认网关运行的路由器(104、103)。不作为激活的默认网关运行的路由器被操作为预留网关。相应的激活的默认网关仅依据存储的地址分配的、从预留网关接收到的请求(1)将全部存储的地址分配(2)以打包方式分别传输到发请求的预留网关。

Description

用于运行具有冗余路由器的通信系统的方法和路由器

技术领域

本发明涉及用于运行具有冗余路由器的通信系统的方法和路由器。

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联网的自动化装置，并且在制造或过程自动化的领域中用于控制或调节设备、机器或装置。基于工业自动化系统中的时间关键的框架条件，为了自动化装置之间的通信主要使用实时通信协议、如PROFINET、PROFIBUS、实时以太网或时间敏感型网络(TSN)。

工业自动化系统的计算机单元或自动化装置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必要的重复。此外，未被传输或未被完全传输的消息例如能够妨碍工业自动化网络过渡或保持到安全的运行状态中。这能够最后导致整个生产设备的故障和高成本的停产。在工业自动化系统中通常由具有相对较多但是相对较短的消息的信息交换造成特别的问题，由此加剧了上述问题。

为了能够平衡通信连接或设备，针对高可用性的能冗余运行的工业通信网发展通信协议、如高可用性无缝冗余或并行冗余协议。高可用性无缝冗余(HSR)和并行冗余协议(PRP)在标准IEC 62439-3中限定并且能够以尽可能小的恢复时间实现消息的无干扰的冗余传输。根据高可用性无缝冗余和并行冗余协议，由发送的通信设备复制每个数据帧(Frame)并且在两个不同的到接收器的路径上发送。通过接收侧的通信设备从接收的数据流中滤出代表副本的冗余的消息。

介质冗余协议(MRP)在标准IEC 62439-2中限定，并且能够实现在具有简单的环形拓扑结构的网络中在数据帧的有冲突的冗余的传输时各个连接的补偿。根据介质冗余协议，在环形拓扑结构中具有两个接口的交换机对应冗余管理器，其监视网络的连接故障并且在可能的情况下为闭环引入开关措施。在正常的运行状态中，冗余管理器根据测试数据帧检查：是否在环形拓扑结构中出现中断。如果在环形拓扑结构中有交换机或连接故障，那么由接口发出的测试数据帧不再分别在其它接口上接收。根据其冗余管理器能够识别故障并且在数据帧故障时利用与正常运行状态不同的有效数据从一个接口传输到另外的接口，并且反之亦然。

借助于公共地址冗余协议(CARP)能够将应用服务器、防火墙或路由器实现为高可用性的系统。对此设置至少两个相互冗余的系统组件，其能够接管相同的任务并且配有相同的子网。冗余的系统组件分别具有明确的IP和MAC地址并且组成设备联合体。该设备联合体同样配有IP和MAC地址，经由其使其它的设备或系统与设备联合体通信。在此，设备联合体的系统组件采纳用于发现设备联合体的任务的主机作用，同时其余的系统组件采纳辅机作用。当具有主机作用的系统组件有故障时，迄今为止对应辅机作用的系统组件接管其任务并且能经由对应于设备联合体的IP或MAC地址访问。

在路由中的部分线路故障能够通过动态路由或选择替换线路简单地补偿的同时，在终端设备中配置的默认网关的故障是有问题的。如果默认网关不作为用于终端设备的第一路由器提供，那么原则上不能够由此实现涉及的子网的路由。借助于热备份路由器协议(HSRP)将多个路由器组合为一个设备组，通过其实现逻辑路由器。该逻辑路由器配有IP或MAC地址，经由其能访问设备组的选出的初级路由器。所有其它的路由器代表次级路由器并且目前不能经由对应于逻辑路由器的IP或MAC地址访问。初级路由器借助于标准地每3秒发送的多播消息为次级路由器报告其功能准备。如果该多播消息消失例如10秒钟，那么迄今为止的次级路由器被选出作为新的初级路由器并且将对应于逻辑路由器的IP或MAC地址连接到其网络接口上。

由于默认网关或用于终端设备的第一路由器的故障的问题也能够借助于虚拟路由器冗余协议(VRRP)解决。与HSRP不同，VRRP不提供IPv6的支持，但是能够实现将物理存在的路由器的IP地址应用为通过设备组实现的逻辑路由器的IP地址。VRRP(见IETF RFC5798)支持IPv4以及IPv6。

由EP 2 127 329 A1描述了用于过滤具有至少两个接口的网络节点中的冗余数据帧的方法，其分别包括发送和接收装置。数据帧分别具有至少一个MAC源地址、数据帧ID(标识)以及发送列表，在其中存储要发送的数据帧。接收装置分别具有用于存储接收的数据帧的接收存储器。为了过滤通信网的网络节点中的冗余数据帧而提出：在应用在第一数据帧中给定的MAC源地址和第一数据帧的数据帧ID的条件下，在接口之一处接收第一数据帧时，在发送列表中寻找具有相同的MAC源地址和数据帧ID的第二数据帧。如果存在这样的第二数据帧，则丢弃第一数据帧。

在US 9 191 271 B2中描述了用于加速VRRP在线过程的方法，在其中同步VRRP主机路由器的ARP缓存(地址解析协议)和VRRP备份路由器的ARP缓存。因此，迄今为止的VRRP备份路由器不必在切换为新的VRRP主机路由器之后重新学习MAC地址和IP地址之间的对应，而是能够应用来自迄今为止的VRRP主机路由器的ARP缓存的对应。在其ARP缓存中的新记录中，每个VRRP路由器分别检查：其是否配置为VRRP主机路由器。如果其是该情况，那么其发送新的记录到VRRP备份路由器。因此，VRRP主机路由器和VRRP备份路由器之间的ARP缓存是增长的。这造成分别具有较少有效数据的负面的信息交换。另外的缺点在于，仅发送新的ARP缓存内容。如果VRRP备份路由器重新启动或者在之后的时间点运行，对于VRRP备份路由器而言之前发送的ARP缓存内容不是或不再是已知的。

发明内容

本发明的目的在于，给出一种用于运行具有冗余的路由器的通信系统的有效的方法，其在作为激活的默认网关运行的路由器有故障时能实现通信系统的尽量无缝的继续运行，并且给出适合于实施该方法的设备。

根据本发明，该目的通过本发明的方法和路由器实现。

根据本发明的用于运行具有冗余的路由器的通信系统的方法，根据存储在路由器的路由表中的路由信息，在通信系统内由路由器将数据报从源通信设备转发到目标通信设备。针对通信终端设备分别将虚拟路由器配置为默认网关，虚拟路由器配有由多个路由器组成的组和虚拟数据链路层地址。通过默认网关例如将全部不针对相应的子网确定的信息交换转发到其它的子网中。源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互选出作为激活的默认网关运行的路由器，其中，不作为激活的默认网关运行的路由器被配置和操作为预留网关。特别地，源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器根据公共地址冗余协议、虚拟路由器冗余协议或热备份路由器协议相互选出作为激活的默认网关运行的路由器。

根据本发明，预留网关从相应的激活的默认网关请求在检测到的通信设备的数据链路层地址与网络层地址之间传输存储的地址分配。优选地，根据地址解析协议或邻居发现协议确定和使用数据链路层地址与网络层地址之间的地址分配。

根据本发明，相应的激活的默认网关仅依据存储的地址分配的、从预留网关接收到的请求将全部存储的地址分配以打包方式分别传输到发请求的预留网关。预留网关分别将由相应的激活的默认网关传输的地址分配直接并且在没有地址分配的自主训练过程的结果的情况下采纳到预留网关的配置中。预留网关在先前激活的默认网关有故障的情况下相互选出新的激活的默认网关。新的激活的默认网关作为激活的默认网关针对新的激活的默认网关的运行采纳在故障之前传输的地址分配和配属于虚拟路由器的虚拟数据链路层地址。根据本发明，通过使预留网关在其相应的请求中说明接收的地址分配的数量，能够由预留网关在任何时间检查同步的质量。优选地，其周期性地进行，例如每10分钟进行一次。如果激活的默认网关例如发现传输数量的差异，那么其就重新发送其全部的地址分配。

有利地，先前激活的有故障的默认网关到新的激活的默认网关的切换在没有用于地址分配的附加的训练过程的情况下通过新的激活的默认网关直接基于在故障之前传输的地址分配进行。其能够实现快速的切换，而不造成用于激活的默认网关与预留网关之间的不必要的频繁的信息交换。

优选地，存储的地址分配的请求通过预留的网关分别作为单播消息传输至激活的默认网关。激活的默认网关的地址对于尤其根据协议特征的预留网关来说是已知的。以相应的方式，为其将存储的地址分配有利地通过相应的激活的默认网关分别作为单播消息传输至请求的预留网关。根据本发明的另一个优选的设计方案，将地址分配作为在消息的有效数据范围内的类型长度值数据对象提供，该消息由相应的激活的默认网关传输至请求地址分配的预留网关。其简化了在激活的默认网关与预留网关之间的同步的地址分配的认证。

根据本发明的另一个优选的设计方案，源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互交换有关路由器的相应的运行状态的信息，并且根据该信息在故障方面监视激活的默认网关。有利地，相应的激活的默认网关不仅传输存储的地址分配还分别传输关于设置的静态路由器的信息到发请求的预留网关。特别地，新的激活的默认网关根据在故障之前传输的有关静态路由器的信息设置静态路由器。

优选地，预留网关仅在从选出激活的默认网关起经过预设的时段之后请求从激活的默认网关传输地址分配。根据本发明的另一个优选的设计方案，相应的激活的默认网关周期性地将全部存储的地址分配的更新以打包方式传输至发请求的预留网关。用于传输的请求原则上能够在任何时间进行，特别是在预留网关重新启动之后。此外，潜在的新的激活的默认网关能够推迟优先进程，从而使其仅在完成传输和设置传输的地址分配之后进行。由于推迟，能够要求作为激活的默认网关的作用。

根据本发明的路由器根据前述实施方案设置用于实施方法，并且具有多个用于分别与通信设备连接的接口、以及用于将路由信息存储到路由表中的存储装置。路由器设计和设置用于，由路由器根据路由信息将数据报文从源通信设备转发到目标通信设备，并且从由多个路由器组成的配属于虚拟路由器的组连同路由器中选出作为激活的默认网关运行的路由器，其中，虚拟路由器配有虚拟数据链路层地址，并且不作为激活的默认网关运行的路由器被配置和操作为预留网关。

根据本发明，路由器设计和设置用于，作为预留网关从相应的激活的默认网关请求在检测到的通信设备的数据链路层地址与网络层地址之间传输存储的地址分配，并且作为激活的默认网关仅依据存储的地址分配的、从预留网关接收到的请求将全部存储的地址分配以打包方式分别传输到发请求的预留网关。此外，路由器设计和设置用于，作为预留网关分别将由相应的激活的默认网关传输的地址分配直接并且在没有地址分配的自主训练过程的结果的情况下采纳到预留网关的配置中，并且在先前激活的默认网关有故障的情况下共同利用另外的预留网关选出新的激活的默认网关。此外，路由器设计和设置用于，作为新的激活的默认网关针对新的激活的默认网关的运行作为激活的默认网关采纳在故障之前传输的地址分配和配属于虚拟路由器的虚拟数据链路层地址。

附图说明

接下来根据附图以实施例详细阐述本发明。在此示出：

图1示出用于工业自动化系统的、包括多个通信设备的通信系统。

具体实施方式

图1示出的用于工业自动化系统的通信系统包括多个作为传输数据报的通信设备的路由器101-106或网关。路由器或网关能够包括集成的防火墙并且尤其用于连接同样代表通信设备或通信终端设备的可编程逻辑控制器(PLC)201、203或操作和监视站202。

可编程逻辑控制器201、203通常分别包括通信模块、中央单元以及至少一个输入/输出单元。输入/输出单元原则上也能够设计为非中央的周边模块，其远离可编程逻辑控制器地布置。经由通信模块能够将可编程逻辑控制器201、203与交换机或路由器或附加地与现场总线连接。输入/输出单元用于可编程逻辑控制器201、203和通过可编程逻辑控制器201、203控制的机器(M)或装置211、231的控制和测量参量的交换。特别地，中央单元设置用于从检测的测量参量中测定合适的控制参量。可编程逻辑控制器201、203的上述构件例如经由背板总线系统相互连接。

操作和监视站202用于过程数据或测量和控制参量的可视化，其通过可编程逻辑控制器、输入/输出单元或传感器处理或检测。特别地，操作和监视站202用于显示调节回路的值并且用于改变调节参数。操作和监视站202包括至少一个图形的操作界面、输入装置、处理单元和通信模块。

通过路由器101-106将数据报10根据由在路由器的路由表中存储的路由信息从源通信设备传输到目标通信设备。根据传输的信息，可编程逻辑控制器201、203或者操作和监视站202能够一方面是源通信设备并且另一方面是目标通信设备并且因此联合两个作用。在当前的实施例中，可编程逻辑控制器201、203和操作和监视站202代表通信设备，为其配置为默认网关虚拟路由器，其对应于由多个路由器101、104-105、102-103、106组成的组11、12和虚拟数据链路层地址。

源自配属于虚拟路由器的相同的组11、12的路由器101、104-105、102-103、106相互选出作为激活的默认网关运行的路由器。在此，不作为激活的默认网关运行的路由器被配置和操作为预留网关。例如，源自配属于虚拟路由器的相同的组11、12的路由器101、104-105、102-103、106根据公共地址冗余协议(CARP)、虚拟路由器冗余协议(VRRP)或热备份路由器协议(HSRP)相互选出作为激活的默认网关运行的路由器。此外，源自配属于虚拟路由器的相同的组11、12的路由器101、104-105、102-103、106相互交换有关路由器的相应运行状态的信息，并且根据信息监视激活的默认网关的故障。在当前的实施例中，从这样的场景出发，在其中路由器104和103作为默认网关运行。

预留网关101、105、102、106从相应的激活的默认网关104、103请求在检测到的通信设备的MAC地址和IP地址之间传输存储的地址分配，并且对此传输相应的请求1。例如根据地址解析协议(ARP)或邻居发现协议(NDP)确定和使用MAC地址和IP地址之间的地址分配。优选地，预留网关101、105、102、106仅在从选出激活的默认网关104、103起经过预设的时段之后才请求从预留网关传输地址分配，特别是在初始网络收敛的情况下。接下来的实施方案原则上不仅能用于IPv6地址和基于IPv6的协议，还能用于IPv4地址和基于IPv4的协议。

相应的激活的默认网关104、103仅依据从预留网关101、105、102、106接收的、存储的地址分配的请求1将全部存储的地址分配2以打包方式分别传输到发请求的预留网关。预留网关101、105、102、106将从相应的激活的默认网关104、103传输的地址分配分别直接并且在没有地址分配的自主训练过程的结果的情况下采纳到预留网关的配置中。优选地，依据从预留网关101、105、102、106接收的请求1，相应的激活的默认网关104、103不仅传输存储的地址分配2，还分别传输关于设置的静态路由器的信息到请求的预留网关。此外，相应的激活的默认网关104、103根据最初的请求周期性地将全部存储的地址分配2的更新以打包方式传输至发请求的预留网关。

在一个特别优选的实施方式中，存储的地址分配的请求1通过预留网关101、105、102、106分别作为单播消息传输至激活的默认网关104、103。相应地，存储的地址分配2还通过相应的激活的默认网关104、103分别作为单播消息传输至请求的预留网关。此外，将地址分配作为在消息2的有效数据范围中的类型长度值数据对象提供，消息通过相应的激活的默认网关104、103传输至请求地址分配的预留网关。

在先前激活的默认网关104、103有故障时，预留网关101、105、102、106相互选出新的激活的默认网关。例如，路由器101或106能够被选出作为新的激活的默认网关。新的激活的默认网关101、106作为激活的默认网关针对新的激活的默认网关的运行采纳在故障之前传输的地址分配2和配属于虚拟路由器的虚拟数据链路层地址，并且在可能的情况下根据在故障之前传输的有关静态路由器的信息设置静态路由器。特别地，在当前的实施例中，先前激活的有故障的默认网关104、103到新的激活的默认网关101、106的切换在没有用于地址分配的附加的训练过程的情况下通过新的激活的默认网关直接基于故障之前传输的地址分配进行。

Claims (12)

1.一种用于运行具有冗余的路由器的通信系统的方法，其中，

-根据存储在所述路由器的路由表中的路由信息，在所述通信系统内由路由器(101-106)将数据报(10)从源通信设备转发到目标通信设备，

-针对通信终端设备(201-203)分别将虚拟路由器配置为默认网关，所述虚拟路由器配有由多个路由器组成的组(11、12)和虚拟数据链路层地址，

-源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互选出作为激活的默认网关运行的路由器，其中，不作为激活的默认网关运行的路由器被配置和操作为预留网关，

-所述预留网关分别将由相应的激活的所述默认网关传输的地址分配直接并且在没有地址分配的自主训练过程的结果的情况下采纳到所述预留网关的配置中，

-所述预留网关在先前激活的默认网关有故障的情况下相互选出新的激活的默认网关，

-新的激活的所述默认网关作为激活的默认网关针对新的激活的所述默认网关的运行采纳在所述故障之前传输的所述地址分配和配属于所述虚拟路由器的虚拟数据链路层地址，

其特征在于，

-所述预留网关从相应的激活的默认网关请求在检测到的通信设备的数据链路层地址与网络层地址之间传输存储的地址分配，

-相应的激活的所述默认网关仅依据存储的地址分配的、从预留网关接收到的请求(1)将全部存储的地址分配(2)以打包方式分别传输到发请求的预留网关，

-通过使所述预留网关在所述预留网关的相应的请求中说明接收的地址分配的数量，能够由所述预留网关在任何时间检查同步的质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

在没有用于地址分配的附加的训练过程的情况下，从有故障的之前激活的默认网关到新的激活的默认网关的切换由新的激活的所述默认网关直接基于所述故障之前传输的所述地址分配进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互交换有关所述路由器的相应的运行状态的信息，并且根据该信息在故障方面监视激活的所述默认网关。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

依据从预留网关接收到的请求，相应的激活的所述默认网关不仅传输存储的所述地址分配还分别传输关于设置的静态路由器的信息到发请求的所述预留网关。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

新的激活的所述默认网关根据在所述故障之前传输的有关静态路由器的信息设置所述静态路由器。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

所述预留网关仅在从选出激活的所述默认网关起经过预设的时段之后请求从激活的所述默认网关传输所述地址分配。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

根据地址解析协议或邻居发现协议来确定和使用所述数据链路层地址与所述网络层地址之间的地址分配。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

相应的激活的所述默认网关周期性地将全部存储的地址分配的更新以打包方式传输至发请求的所述预留网关。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

由所述预留网关将存储的地址分配的请求分别作为单播消息传输至激活的所述默认网关，并且其中，由相应的激活的所述默认网关将存储的所述地址分配分别作为单播消息传输至发请求的所述预留网关。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

将所述地址分配作为在消息的有效数据范围内的类型长度值数据对象提供，该消息由相应的激活的所述默认网关传输至请求地址分配的预留网关。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

根据公共地址冗余协议、虚拟路由器冗余协议或热备份路由器协议，源自配属于虚拟路由器的相同的组的路由器相互选出作为激活的默认网关运行的路由器。

12.一种用于实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法的路由器，所述路由器具有：

-多个用于分别与通信设备连接的接口，

-用于将路由信息存储到路由表中的存储装置，

其中，所述路由器设计和设置用于，

-由路由器根据路由信息将数据报文从源通信设备转发到目标通信设备，

-从由多个路由器组成的配属于虚拟路由器的组连同所述路由器中选出作为激活的默认网关运行的路由器，其中，所述虚拟路由器配有虚拟数据链路层地址，并且不作为激活的默认网关运行的路由器被配置和操作为预留网关，

-作为预留网关分别将由相应的激活的所述默认网关传输的地址分配直接并且在没有地址分配的自主训练过程的结果的情况下采纳到所述预留网关的配置中，

-在先前激活的默认网关有故障的情况下共同利用另外的预留网关选出新的激活的默认网关，并且

-作为新的激活的默认网关针对新的激活的所述默认网关的运行作为激活的默认网关采纳在所述故障之前传输的所述地址分配和配属于所述虚拟路由器的虚拟数据链路层地址，

其特征在于，所述路由器设计和设置用于，

-作为预留网关从相应的激活的默认网关请求在检测到的通信设备的数据链路层地址与网络层地址之间传输存储的地址分配，

-作为激活的默认网关仅依据存储的地址分配的、从预留网关接收到的请求将全部存储的地址分配以打包方式分别传输到发请求的预留网关，

-通过使所述路由器在所述路由器的相应的请求中说明接收的地址分配的数量，作为预留网关检查同步的质量。

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