CN115668873A - 运行用于传输时间关键的数据的通信系统的方法、交换机和通信系统 - Google Patents

Abstract

为了传输时间关键的数据，从第一子网(101)中的第一通信设备(201)经由第三子网(103)向第二子网(102)中的第二通信设备(202)发送数据报(400)。在此，第一子网和第三子网经由第一交换机(301)连接，并且第二子网和第三子网经由第二交换机(302)连接。根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明将数据报从第一通信设备转发至第一交换机。第一交换机将通过第一通信设备发送的数据报分别封装在通过第三子网分配给数据流的数据帧(500)中，并将第二虚拟局域网的标识符(502)插入到数据帧中。根据第二虚拟局域网的标识符，在第三子网中沿选定的路径预留资源。第二交换机从接收到的数据帧中提取封装在分配给数据流的数据帧中的数据报，并根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明将提取的数据报转发给第二通信设备。

Description

运行用于传输时间关键的数据的通信系统的方法、交换机和 通信系统

技术领域

本发明涉及一种用于运行用于传输时间关键的数据、尤其是工业自动化系统中的控制数据的通信系统的方法，以及用于执行这种方法的交换机和通信系统。

背景技术

工业自动化系统通常包括通过工业通信网络相互联网的大量自动化设备，并在生产或过程自动化的范畴中用于控制或调节设施、机器或设备。由于工业自动化系统中的时间关键的框架条件，为了在自动化设备之间通信主要使用实时通信协议，例如PROFINET、PROFIBUS、实时以太网或时间敏感网络(TSN)。

由于经常用于极其不同的应用，在基于以太网的通信网络中可能会出现问题，例如，当用于传输具有实时要求的数据流或数据帧的网络资源被要求用于竞争性地传输具有大用户数据内容而没有特殊服务质量要求的数据帧时。这可能导致具有实时要求的数据流或数据帧没有按照请求或要求的服务质量进行传输。

例如，根据IEEE 802.IQ标准，基于虚拟局域网(VLAN)，原则上通过插入数据帧中的适当标签，数据帧的优先传输是可能的。为了通过通信网络同步和优先传输音频和视频数据流(音频/视频桥接)，为分配了最高优先级的各个通信连接预留带宽。传输音频和视频数据流所需的资源预留在交换机等通信设备中。然而，高优先级的数据帧只有在成功预留后才会被转发。作为带宽监控的一部分，确保相对于实际使用的带宽有足够的预留带宽。使用比预留更多带宽的通信连接否则会导致整个通信网络中断，并且在最坏的情况下由于过载而导致其停止。

为了通过基于以太网的通信网络安全传输音频和视频数据流，根据IEEE802.1Qav标准，基于信用的整形器(CBS)已被定义为带宽监控的一种措施。基于信用的整形器在每个传输的数据帧之后定义传输暂停，以确保与预留带宽相关的带宽限制。然而，这种强制中断在工业自动化系统中是非常成问题的，当许多具有较少的用户数据内容的数据帧被传输用于控制数据时，这些数据帧更多地被视为数据包或突发。

在WO 2019/001718 A1中描述了一种数据传输方法，该方法能够将受保护的通信与低网络配置工作相结合。在这种情况下，当为从发送器到接收器的数据流的传输预留资源时，预留至少部分冗余的至少两条路径。通过扩展预留协议，在资源预留期间分配给冗余路径部分的网络节点自动配置重复过滤器。

从申请文件号为20170149.7的较早的欧洲专利申请中已知一种用于传输时间关键的数据的方法，其中，被选择的数据报被分配给数据流并通过至少包括第一和第二通信设备的路径在第一通信设备和第二通信设备之间传输。预留请求提供用于传输数据流的资源，每个数据流传输到域控制装置。在预留请求的情况下，域控制装置分别检查相应的第一和第二通信设备是否包括在相同的域中。跨域预留请求分别被转发至上级的通信控制装置。上级的通信控制装置确定受预留请求影响的域，并将限制在路径的各个部分的部分预留请求发送到所确定的域的域控制装置。

在EP 3035 606A1中描述了一种用于在包括至少2个虚拟局域网的通信网络中进行数据传输的方法，其中，每个数据流被分配一个数据流特定的目标设备标识符。当数据流从分配给第一虚拟局域网的源通信设备传输到分配给第二局域网的目标通信设备时，分配给第一虚拟局域网内的数据流的标识符被转换成分配给第二虚拟局域网内的数据流的标识符。

在数据经由将两个单元彼此连接的转接网络在工业自动化系统中的两个单元之间传输的情况中，当传输的数据报从起始单元传输到转接网络时，基本的优先级信息和有关分配给逻辑网络的信息可能会丢失。因此，在从转接网络转换到目标单元之后，已传输的数据报不再能够以正确的优先级信息或适当的分配信息转发至逻辑网络。最终，这可能会导致数据丢失。此外，工业自动化系统的单元之间通常是时间关键的。因此，转接网络应该至少在两个单元之间交换的数据业务方面具有确定性属性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于运行用于传输时间关键的数据的通信系统的方法，该方法能够有效地利用可用的系统资源并灵活快速地适应变化的运行框架条件，并且适合于实现方法的执行。

因此，本发明的目的是，提供一种用于运行通信系统的方法，该通信系统用于经由第三子网在形成逻辑单元的两个子网之间传输时间关键的数据，通过第三子网以较小的延迟并且在预留原始优先级的情况下实现数据的透明传输，以及提供一种用于执行该方法的合适的装置。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1给出的特征的方法、具有权利要求12中给出的特征的交换机和具有权利要求13中给出的特征的通信系统来实现。有利的改进方案在从属权利要求中给出。

基于根据本发明的用于运行用于传输时间关键的数据的通信系统的方法，从第一子网中的第一通信设备经由第三子网向第二子网中的第二通信设备发送数据报。在此，第一和第三子网通过第一交换机连接，而第二和第三子网通过第二交换机连接。第一通信设备将第一虚拟局域网的标识符和优先级说明插入到数据报中。基于第一虚拟局域网的标识符和优先级说明，将数据报从第一通信设备转发至第一交换机。例如，第一和第二子网能够被分配给PROFINET单元，而第三子网优选地是基于TSN的转接网络，其中，数据报是PROFINET帧。

根据本发明，第一交换机将通过第一通信设备发送的数据报相应地封装在通过第三子网分配给数据流的数据帧中，并在该数据帧中插入第二虚拟局域网的标识符。为了在第三子网中传输数据流，基于第二虚拟局域网的标识符，沿着第一交换机和第二交换机之间的选定的路径预留资源。第二交换机从接收到的数据帧中提取封装在分配给数据流的数据帧中的数据报，并根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明将提取的数据报转发给第二通信设备。通过这种方式，通过第三子网实现了第一子网和第二子网之间优先级数据报的透明传输。特别地，由于通过第三子网为数据流预留了资源，能够保证传输过程中的低延迟。

第一交换机或第二交换机例如分别通过数据帧在用户数据区域中的插入来封装数据报。在此，用户数据区域包括第一虚拟局域网的标识符和优先级说明。根据本发明的一个特别优选的设计方案，在其中相应地封装有数据报的数据帧为VXLAN帧或用于数据报的第2层隧道部的帧。这使得本发明能够特别可靠和有效地实施。有利地，第一交换机或第二交换机通过第三子网基于入端口地将所述第二虚拟局域网的所述标识符分配给通过所述第三子网待发送的数据帧，所述数据帧封装数据报。这确保了数据报在通过第三子网路由时以明确定义的方式进行处理。

优选地，为了沿选定的路径的数据流预留资源，第一交换机或第二交换机在预留请求中指定服务质量参数。在这种情况下，每个沿选定的路径转发数据帧的每个通信设备或通信控制装置根据服务质量参数在预留请求时检查，在保持指定的服务质量参数的情况下，在相应的通信设备中是否有足够的资源用于数据传输。在有足够的资源时，沿选定的路径的通信设备或通信控制装置为数据流相应地确定配置信息。最后，沿选定的路径的通信设备被配置为根据所确定的配置信息为数据流提供资源。

通过沿选定的路径的通信设备提供的资源尤其包括交换机或桥中的可用的传输时间窗口、带宽、保证的最大延迟、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。第三子网优选为时间敏感网络，特别是根据IEEE802.3-2018、IEEE 802.1Q-2018、IEEE 802.1AB-2016、IEEE802.1AS-2011、IEEE 802.1BA-2011或IEEE 802.1CB-2017。第三子网内的数据帧的转发能够例如通过帧抢占、时间感知整形器、基于信用的整形器、突发限制整形器、蠕动整形器或基于优先级来控制，特别是根据IEEE 802.1Q-2018。根据本发明的一个特别优选的设计方案，双向建立在预留请求上的数据流。

根据本发明的一个特别优选的设计方案，第二通信设备还将第一虚拟局域网的标识符和优先级说明插入到待发送给第一通信设备的数据报中。在这种情况下，待发送给第一通信设备的数据报根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明由第二通信设备转发至第二交换机。此外，第二交换机将由第二通信设备发送的数据报封装在通过第三子网分配给数据流的数据帧中，并在数据帧中插入第二虚拟局域网的标识符。此外，第一交换机从接收到的数据帧中提取封装在分配给数据流的数据帧中的数据报，并根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明将提取的数据报转发给第一通信设备。

根据本发明的交换机被提供用于执行对应于前述的方法并且包括用于连接到转发数据报的通信设备或通信终端的多个端口。交换机被设计和配置为，从第一子网中的第一通信设备经由第三子网向第二子网中的第二通信设备发送数据报。在这种情况下，在通过通信设备发送的数据报中插入第一虚拟局域网的标识符和优先级说明。

此外，根据本发明，交换机被设计和配置用于，将通过第一通信设备发送的数据报封装在通过第三子网分配给数据流的数据帧中，并将第二虚拟局域网的标识符插入到数据框中。此外，交换机被设计和配置为，从接收到的数据帧中提取在分配给数据流的数据帧中封装的数据报，并提取的数据报根据第一虚拟局域网的标识符和优先级说明转发给第二通信设备。

附图说明

下面参考附图使用实施例更详细地解释本发明。图中示出：

图1示出了用于工业自动化系统的包括多个通信设备的通信系统，

图2示出了在根据图1的通信系统内从第一通信设备发送到第二通信设备的数据报的示意图，

图3示出了数据帧的示意图，该数据帧中封装了根据图2的数据报。

具体实施方式

图1中所示的工业自动化系统的通信系统分为三个子网101-103，所述子网又分别具有作为转发数据报的通信设备的多个桥接器或交换机110、120、301、302，以及多个连接到交换机110、120的通信设备或通信终端设备201-202、211-213、221-223。在通信系统中，尤其从第一子网101中的第一通信设备201经由第三子网103向第二子网102中的第二通信设备202发送数据报400。在此，第一子网101和第三子网103经由第一交换机301连接，而第二子网102和第三子网103经由第二交换机302连接。

在本实施例中，第一通信装置201是可编程逻辑控制器，而第二通信装置202是操作和监控站。此外，数据报400是PROFINET帧，第一子网101和第二子网102分别分配给一个PROFINET单元。第三子网103代表用于PROFINET单元的转接网络，其优选地设计为时间敏感网络，特别是根据IEEE802.3-2018、IEEE 802.1Q-2018、IEEE 802.1AB-2016、IEEE802.1AS-2011、IEEE 802.1BA-2011或IEEE 802.1CB-2017。第三子网103内的数据帧(多个数据帧)的转发能够例如通过根据IEEE802.1Q-2018的帧抢占、根据IEEE 802.1Q-2018的时间感知整形器、根据IEEE 802.1Q-2018的基于信用的整形器，突发限制整形器，蠕动整形器或基于优先级的整形器来控制。

桥接器或交换机110、120、301、302分别包括多个端口和作为耦合元件的背板交换机，并且特别用于连接可编程逻辑控制器201、操作和监控站202、I/O控制器或I/O模块，其也代表通信设备或通信终端设备。

可编程逻辑控制器201通常分别包括通信模块、中央处理单元和至少一个输入/输出单元。原则上，输入/输出单元也能够是分散的外围模块的形式，这些外围模块与可编程逻辑控制器相距一定距离。可编程逻辑控制器201能够通过通信模块连接到交换机或路由器或者另外连接到现场总线。输入/输出单元用于在可编程逻辑控制器201和由可编程逻辑控制器201控制的机器或设备210之间交换控制和测量变量。中央单元特别用于根据检测到的测量变量确定合适的控制变量。可编程逻辑控制器201的上述部件例如通过后墙总线系统相互连接。

原则上，也能够提供I/O模块，用于与连接的机器或设备交换控制和测量变量。I/O模块尤其能够通过每个自动化单元的I/O控制器进行控制。作为替代方案，I/O模块也能够由远程可编程逻辑控制器控制。

操作和监控站202用于可视化由可编程逻辑控制器、输入/输出单元或传感器处理或记录的过程数据或测量和控制变量。特别地，操作和监视站202用于显示调节电路的值并改变调节参数。操作和监控站202至少包括图形用户界面、输入设备、处理器单元和通信模块。

作为第一通信设备，可编程逻辑控制器201将第一VLAN(例如VID＝0)的标识符402和优先级说明403(例如PCP＝6)插入到在图2中示意性地示出的数据报400中。以这种方式，在包括第一子网101或第二子网102的PROFINET单元中识别高优先级控制数据，其在预定或预留的时间窗口内在PROFINET单元中循环地传输。为此，在本实施例中，PROFINET单元中的所有通信设备110、120、201-202、211-213、221-223、301-302同步运行。基于第一VLAN的标识符402和优先级说明403，可编程逻辑控制器201的数据报在第一子网101内被转发至第一交换机301。根据图2，数据报400包括地址区域401和用户数据区域404，并且在本实施例中，就其结构而言，基本上对应于以太网帧。

第一交换机301和第二交换机302都将第二VLAN的标识符分配给从第一子网101和第二子网102接收到的数据报400，这些数据报将在入端口的基础上通过第三子网103进行路由。为了避免在通过第三子网103时丢失或覆盖插入数据报400中的第一VLAN的标识符402和优先级说明403，第一交换机301将可编程逻辑控制器201发送的数据报400封装在数据帧500中，该数据报通过第三子网103分配给TSN数据流并且在图3中示意性地示出，并且在数据帧500中插入第二VLAN，例如VID`＝1的标识符502以及优先级说明502，例如PCP`＝6，用于通过第三子网103。

以类似的方式，操作和监控站202作为第二通信设备也将第一VLAN的标识符402和优先级说明403插入到待发送给可编程逻辑控制器201的数据报400中。因此，使用第一VLAN的标识符402和优先级说明403，将要发送到可编程逻辑控制器201的数据报400从操作和监控站202转发至第二交换机302。另外，第二交换机302将操作和监控站202发送的数据报400封装在通过第三子网103分配给TSN数据流数据帧500中，并在数据帧500中插入第二VLAN的标识符502。

第一交换机301和第二交换机302分别通过将数据报400插入到数据帧500的用户数据区域504中来封装数据报400。在此，数据帧500的用户数据区域504尤其包括第一VLAN的标识符402和用于在第一子网或第二子网内转发的优先级说明403。根据图3，数据帧500还包括地址区域501并且在其结构方面对应于以太网帧。其中，封装了数据报400的数据帧500优选地是VXLAN帧或用于数据报400的第2层隧道部的帧。

为了传输TSN数据流，根据第二VLAN的标识符502在第三子网103中沿着第一交换机301和第二交换机302之间的选定的路径预留资源。

第一交换机301和第二交换机302在预留请求中指定服务质量参数，用于沿选定的路径为TSN数据流预留资源。

根据分散式流预留概念，沿选定的路径转发数据帧的每个通信设备使用服务质量参数来检查所讨论的通信设备是否具有足够的资源用于数据传输，同时符合指定的服务质量参数。在中央流预留概念的情况下，这种检查由中央网络控制器或网络管理引擎作为上级通信控制装置来执行。如果有足够的资源可用，则沿选定的路径的通信设备在分散式流预留概念中相应地确定配置信息。根据该确定的配置信息，沿选定的路径的通信设备被配置用于为TSN数据流提供资源。根据中央流预留概念，配置信息由中央网络控制器或网络管理引擎确定。

在第三子网103中通过沿选定的路径的通信设备提供的资源具体包括可用传输时间窗口、带宽、保证的最大延迟、队列数、队列高速缓存或交换机或网桥中的地址高速缓存。TSN数据流优选地响应预留请求而由第三子网103双向建立。

第二交换机302从通过第三子网103接收的数据帧中提取封装在分配给TSN数据流的数据帧500中的数据报400，并根据第一VLAN的标识符402和优先级说明403转发提取的数据报到操作和监测站202。以相应的方式，第一交换机301从通过第三子网103接收的数据帧中提取封装在分配给TSN数据流的数据帧500中的数据报400，并根据第一VLAN的标识符402和优先级说明403转发提取的数据报到可编程逻辑控制器201。

利用本实施例，通信网络的分段，特别是PROFINET或GOOSE网络，可能不会丢失优先级说明，即时间同步。通过转接网络连接PROFINET单元对于PROFINET数据流量是完全透明的。特别是，在时间同步传输网络中，PROFINET数据流量和非PROFINET数据流量的混合数据传输是可能的，而不会在传输网络中出现过载的风险。原则上，本概念能够通过第3层通信网络进行第2层通信，这为网络运行中更广泛的灵活性奠定了基础。

Claims (13)

1.一种用于运行用于传输时间关键的数据的通信系统的方法，其中，

-从第一子网(101)中的第一通信设备(201)经由第三子网(103)向第二子网(102)中的第二通信设备(202)发送数据报(400)，其中，所述第一子网和所述第三子网经由第一交换机(301)连接，并且所述第二子网和所述第三子网经由第二交换机(302)连接，

-所述第一通信设备将第一虚拟局域网的标识符(402)以及优先级说明(403)插入所述数据报中，

-根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明将所述数据报从所述第一通信设备转发至所述第一交换机，

-所述第一交换机将通过所述第一通信设备发送的数据报分别封装在通过所述第三子网分配给数据流的数据帧(500)中，并且所述第一交换机在所述数据帧中插入第二虚拟局域网的标识符(502)，

-为了在所述第三子网中传输所述数据流，根据所述第二虚拟局域网的所述标识符，沿着所述第一交换机与所述第二交换机之间的选定的路径预留资源，

-所述第二交换机从接收到的数据帧中提取封装在分配给所述数据流的所述数据帧中的所述数据报，并根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明将提取的所述数据报转发给所述第二通信设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了沿选定的路径为所述数据流预留所述资源，所述第一交换机和/或所述第二交换机在预留请求中指定服务质量参数，其中，根据所述服务质量参数在预留请求中检查每个沿所述选定的路径转发数据帧的通信设备或通信控制装置，在保持指定的服务质量参数的情况下，在相应的通信设备中是否有足够的资源用于数据传输，其中，沿着所述选定的路径的所述通信设备或所述通信控制装置在足够的资源的情况下为所述数据流分别确定配置信息，并且其中，沿着所述选定的路径的所述通信设备被设置用于根据确定的配置信息为所述数据流提供资源。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过沿所述选定的路径的所述通信设备提供的资源包括交换机或桥中的可用的传输时间窗口、带宽、经保证的最大延迟、队列数量、队列缓存和/或地址缓存。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其中，所述第三子网特别是根据IEEE802.3-2018、IEEE 802.1Q-2018、IEEE 802.1AB-2016、IEEE 802.1AS-2011、IEEE802.1BA-2011和/或IEEE 802.1CB-2017的时间敏感网络。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述第三子网内借助帧抢占、时间感知整形器、基于信用的整形器、突发限制整形器、蠕动整形器和/或基于优先级、特别是根据IEEE802.1Q-2018来控制数据帧的转发。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，响应于预留请求，双向地设置所述数据流。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第二通信设备将所述第一虚拟局域网的所述标识符以及所述优先级说明插入到待发送给所述第一通信设备的数据报中，其中，待发送给所述第一通信设备的所述数据报根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明由所述第二通信设备转发至所述第二交换机，其中，所述第二交换机将通过所述第二通信设备发送的所述数据报分别封装在通过所述第三子网分配给所述数据流的数据帧中，并且所述第二交换机在所述数据帧中插入所述第二虚拟局域网的所述标识符，并且其中，所述第一交换机从接收到的数据帧中提取封装在分配给所述数据流的所述数据帧中的所述数据报，并且所述第二交换机根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明将提取的所述数据报转发给所述第一通信设备。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述第一交换机和/或所述第二交换机分别通过将所述数据报插入到所述数据帧的用户数据区域中来封装所述数据报，其中，所述用户数据区域包括所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述数据帧是VXLAN帧或用于所述数据报的第2层隧道部的帧，所述数据报分别封装在所述数据帧中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一子网和所述第二子网被分配给PROFINET单元，其中，所述第三子网是基于TSN的转接网络，并且其中，所述数据报是PROFINET帧。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第一交换机和/或所述第二交换机基于入端口将所述第二虚拟局域网的所述标识符分配给通过所述第三子网待发送的数据帧，所述数据帧封装数据报。

12.一种用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的交换机，所述交换机具有

-用于与转发数据报的通信设备和/或通信终端设备连接的多个端口，

-其中，所述交换机(301，302)被设计和配置用于，从第一子网(101)中的第一通信设备(201)经由第三子网(103)向第二子网(102)中的第二通信设备(202)发送数据报(400)，其中，在通过所述通信设备发送的数据报中插入第一虚拟局域网的标识符(402)以及优先级说明(403)，

-其中，所述交换机被设计和配置用于，将通过所述第一通信设备发送的所述数据报分别封装在通过所述第三子网分配给数据流的数据帧(500)中，并将第二虚拟局域网的标识符(502)插入到所述数据帧中，

-其中，交换机被设计和配置用于，从接收到的数据帧中提取在分配给所述数据流的数据帧中封装的所述数据报，并且根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明将提取的所述数据报转发给所述第二通信设备。

13.一种用于传输时间关键的数据的通信系统，所述通信系统具有

-第一子网(101)、第二子网(102)和第三子网(103)，其中，所述第一子网和所述第三子网经由第一交换机(301)连接并且所述第二子网和所述第三子网经由第二交换机(302)连接，

-所述第一子网中的第一通信设备(201)和所述第二子网(102)中的第二通信设备(202)，其中，所述第一通信设备(201)被设计和配置用于，经由所述第三子网(103)向所述第二通信设备(202)发送数据报(400)并且将第一虚拟局域网的标识符(402)以及优先级说明(403)插入到所述数据报中，在此基础上实现所述数据报从所述第一通信设备到所述第一交换机的转发，

-其中，所述第一交换机被设计和配置用于，将通过所述第一通信设备发送的数据报分别封装在通过所述第三子网分配给数据流的数据帧(500)中，并且在所述数据帧中插入第二虚拟局域网的标识符(502)，在此基础上实现沿着所述第一交换机与所述第二交换机之间的选定的路径的资源的预留，以在所述第三子网中传输所述数据流，

-所述第二交换机被设计和配置用于，从接收到的数据帧中提取封装在分配给所述数据流的数据帧中的数据报，并根据所述第一虚拟局域网的所述标识符和所述优先级说明将提取的数据报转发给所述第二通信设备。

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