DE102010027687B4

DE102010027687B4 - Vermaschtes Funknetz, Netzknoten, Netzwerkkoordinator und Verfahren zum Routing von Datenpaketen in einem vermaschten Funknetz

Info

Publication number: DE102010027687B4
Application number: DE102010027687A
Authority: DE
Inventors: Robin Pramanik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: DE102010027687A1; WO2012010542A1

Abstract

Bei einem vermaschten Funknetz mit einem Zugangspunkt (AP) und dahinter liegenden Zielen (NM, GW) für Datenpakete ist der Zugangspunkt (AP) konfiguriert, ein Datenpaket mit der Zieladresse eines der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes anzunehmen. Die dem Zugangspunkt (AP) benachbarten Netzknoten (A, B) enthalten in Listen (LA, LB) zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes (AP) die Zieladressen dieser Ziele (NM, GW). Aufgrund der Bevorzugung einer direkten Verbindung im Rahmen der Zielauswahl wird daher ein Datenpaket, das an ein solches Ziel (z. B. NM) adressiert ist, in einen ersten Versuch an den sich als das Ziel (NM) ausgebenden Zugangspunkt (AP) weitergeleitet und erst dann, wenn dieser Versuch fehlgeschlagen ist, in einem weiteren Versuch an einen anderen benachbarten Netzknoten (z. B. B) weitergeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein vermaschtes Funknetz mit einem Zugangspunkt (Access Point) zur Weiterleitung von Datenpaketen an Ziele außerhalb des Funknetzes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft ferner einen Netzknoten zur Weiterleitung von Datenpaketen aus einem vermaschten Funknetz über einem Zugangspunkt an Ziele außerhalb des Funknetzes nach dem Oberbegriff von Anspruch 3.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Netzwerkkoordinator für ein vermaschtes Funknetz mit einem Zugangspunkt zur Weiterleitung von Datenpaketen an Ziele außerhalb des Funknetzes nach dem Oberbegriff von Anspruch 4.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Routing von Datenpaketen in einem vermaschten Funknetz mit einem Zugangspunkt zur Weiterleitung der Datenpakete an Ziele außerhalb des Funknetzes nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Ein solches vermaschtes Funknetz und Verfahren bzw. ein solcher Netzknoten und Netzwerkkoordinator sind bekannt ( WO 2009/008934 A2 ; A. N. Kim et al.: ”When HART Goes Wireless: Understanding and Implementing the WirelessHART Standard”, Proceedings of the IEEE International Conference an Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA) 2008, Sept. 2008, Seiten 899–907).
Die US 2008/0317047 A1 zeigt ein vermaschtes Funknetz mit mobilen Netzknoten und Zugangspunkten zu einem Festnetz. Die Netzknoten und Zugangspunkte enthalten u. a. jeweils eine Routing-Tabelle mit Routinginformationen zu anderen Netzknoten und eine Nachbartabelle mit aktuellen Informationen über die jeweils vorhandenen benachbarten Netzknoten. Dieser aktuellen Informationen werden zur Aktualisierung von Routen verwendet.
Für das Weiterleiten (Routing) von Datenpaketen in vermaschten Funknetzen kommen viele unterschiedliche Routing-Verfahren in Frage. Bei drahtlosen Sensornetzwerken, die auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sind und daher wenig Ressourcen (z. B. RAM, ROM, Prozessorleistung) zur Verfügung haben, sind Routing-Verfahren, die auf großen Routing-Tabellen basieren, nicht umsetzbar, so dass andere Methoden zum Einsatz kommen.
Dazu gehört z. B. das Source-Routing, bei dem den zu übertragenden Datenpaketen die Informationen über das Routing hinzugefügt und durch die Netzknoten entlang der Route abgearbeitet werden. Es ist keine Redundanz möglich, so dass ein Datenpaket nicht weitergeleitet oder sogar verworfen wird, wenn ein Netzknoten in der Route nicht erreichbar ist. Das Source-Routing wird daher nur beim Routentest, der Fehlersuche und dem Aufbau einer Ad-Hoc-Verbindung genutzt.
Beim Graph-Routing werden über den Netzwerkkoordinator unterschiedliche Routen in Form von Graphen mit zumindest teilweise redundanten Kommunikationspfaden zwischen den Netzknoten festgelegt. Jeder Graph wird durch einen Graph Identifier eindeutig identifiziert. Jeder Netzknoten erhält eine Liste, in der für jeden Graph, der über den Netzknoten läuft, mindestens ein benachbarter Netzknoten, zur Erzielung der gewünschten Redundanz mindestens zwei benachbarte Netzknoten angegeben sind, an die ein mit dem zugehörigen Graph Identifier versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann. Die Netzknoten müssen also im Unterschied zu Routing-Tabellen nur noch die für einen Graphen möglichen Nachbarn kennen, so dass der Speicherbedarf und der Aufwand zur Abarbeitung der Listen gering ist.
In vermaschten Netzen kommt es jedoch vor, dass beim Einsatz optimierter Routing-Verfahren nicht in jedem Fall redundante Pfade zum Zielknoten möglich sind, weil sonst Schleifen entstehen, die dazu führen können, dass Datenpakete nicht ihr Ziel erreichen. Dieses kommt vor allem dann zum Tragen, wenn sich in mehrere Netzwerkadressen oder logische Funktionen hinter einem oder mehreren physischen Netzwerkanbindungen (Zugangspunkten, Access Points) verbergen, wie es z. B. bei WirelessHART mit dem Network Manager und dem Gateway häufig vorkommt; beide haben separate Adressen, teilen sich aber meistens einen Zugangspunkt, wobei üblicherweise nur die Zugangsadresse des Zugangspunkts bekannt ist.
1 zeigt beispielhaft ein Funknetz mit Netzknoten A bis G und einem Zugangspunkt AP, den sich ein Netwerkmanager NM und ein Gateway GW teilen. Mit durchgezogenen Pfeilen ist ein Graph dargestellt, in dem fast alle Kommunikationspfade vom Netzknoten G zum Zugangspunkt AP redundant ausgelegt sind, so dass bei Störung eines Pfades (z. B. von C nach D) ein Datenpaket auf einem anderen Pfad (hier: von C nach A) in Richtung zum Zugangspunkt AP, weitergeleitet werden kann. Dazu enthält jeder Netzknoten, z. B. C, eine Liste LC, in der für jeden Graph, der diesen Netzknoten C enthält, mindestens ein benachbarter Netzknoten A, D angegeben ist, an den ein mit dem jeweils zugehörigen Graph Identifier versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann.
Ein Pfad, nämlich von A nach AP, weist jedoch keine Redundanz auf, weil ein möglicher redundanter und hier gestrichelt dargestellter Pfad von A nach B dazu führen könnte, dass B ein Datenpaket, das eigentlich für eine der Netzwerkadressen hinter dem Zugangspunkt AP (z. B. Network Manager NM oder Gateway GW) bestimmt ist, nicht an diesen weiterleitet, sondern wieder an A zurückschickt, da dieser Pfad auch für den Graphen gültig ist. Damit könnte eine endlose Übertragung zwischen A und B starten, die dazu führt, dass das Datenpaket nicht an sein Ziel gelangt.
2 zeigt ein Beispiel, bei dem, wenn man den gestrichelt dargestellten Pfad von E nach F aktiv hält, das Datenpaket immer im Kreis um den Zugangspunkt AP zirkulieren könnte, ohne je das Ziel zu erreichen. Wenn dagegen, wie in gegenwärtigen Lösungen, der gestrichelte Pfad zwischen E und F nicht vorhanden sind, kann es bei einer Störung der Verbindung von. E nach AP zu einer Ansammlung von Datenpaketen im Netzknoten E kommen, die dann nicht zugestellt werden können, weil kein redundanter Pfad zu AP existiert. Protokolle wie WirelessHART schreiben zwar vor, dass ein Netzknoten den direkten Pfad zum Ziel bevorzugen soll, d. h. für den Fall, dass zwei benachbarte Netzknoten angegeben sind, von denen der einer das Ziel des Datenpakets ist, wird das Datenpaket in einem ersten Versuch an das Ziel und erst im zweiten Versuch an den anderen benachbarten Netzknoten weitergeleitet, jedoch wirkt dieser Mechanismus nicht, wenn sich hinter dem Zugangspunkt AP mehrere Ziele verbergen.
Eine bekannte Lösung dieses Problems ist in 3 gezeigt. Hierbei werden statt eines zwei Zugangspunkte AP1 und AP2 verwendet, wobei einzelne Netzknoten, hier D und H, Datenpakete zu beiden Zugangspunkten AP1 und AP2 weiterleiten können (siehe auch oben erwähnte WO 2009/008934 A2 , 7). Dies ist aber nur dann möglich, wenn die beiden Zugangspunkten AP1 und AP2 auch räumlich getrennt aufgestellt sind und es Netzknoten gibt, die eine Kommunikation zu beiden Zugangspunkten AP1 und AP2 aufbauen können. Beides ist nicht allgemein zu gewährleisten, wenn z. B. die Zugangspunkten AP1 und AP2 in getrennten Räumen untergebracht sind, durch deren Wände keine Funkverbindung zustande kommt. Außerdem bedeutet diese Lösung eine zusätzliche Ausgabe für den zusätzlichen Zugangspunkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunden, beim Graph-Routing mit nur einem Zugangspunkt eine redundante Weiterleitung von Datenpaketen an den Zugangspunkt zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Funknetz, den in Anspruch 3 angegebenen Netzknoten, den in Anspruch 4 angegebenen Netwerkkoordinator bzw. das in Anspruch 5 angegebene Verfahren gelöst.
Der Zugangspunkt ist also befähigt, ein Datenpaket mit der Zieladresse eines der Ziele außerhalb des Funknetzes anzunehmen. Die Liste eines jeden Netzknotens, der dem Zugangspunkt benachbart ist, d. h. Datenpakete an den Zugangspunkt weiterleiten kann, enthält zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes die Zieladressen der Ziele außerhalb des Funknetzes. Die dem Zugangspunkt benachbarten Netzknoten erkennen also in dem. Zugangspunkt auch die hinter ihm liegenden Ziele. Aufgrund der Bevorzugung der direkten Verbindung im Rahmen der Zielauswahl wird daher ein Datenpaket, das an ein Ziel hinter dem Zugangspunkt adressiert ist, in einen ersten Versuch an. den sich als das Ziel ausgebenden Zugangspunkt weitergeleitet und erst dann, wenn dieser Versuch fehlgeschlagen ist, in einem weiteren Versuch an einen anderen benachbarten Netzknoten weitergeleitet.
Durch die Anpassung des Zugangspunktes, sodass er nicht nur auf eine einzige Zieladresse reagiert, sondern auch auf die der hinter ihm liegende Ziele (z. B. Gateway, Network Manager, usw.) wird erreicht, dass keine Routing-Schleifen auftreten, die zu endlos zirkulierenden Datenpaketen führen, weil eine Bevorzugung der Verbindungen im Rahmen der Zielauswahl erfolgt. Damit kann für jeden Netzknoten ein redundanter Pfad angegeben werden, so dass sich bei Kommunikationsproblemen die Datenpakete nicht in einem Netzknoten anhäufen, der mangels eines alternativen Pfades nur einen einzigen Weg zum Ziel kennt.
Mit der Konfiguration des Zugangspunktes, auch Datenpakete, die auf der Verbindungsschicht (Data Link Layer) nicht an ihn adressiert sind, sondern an eine Zieladresse, für die er als Proxy arbeitet, anzunehmen, kann beim Graph-Routing immer eine redundante Verbindung verwendet werden, so dass bei Störung eines Netzknotens immer noch der Datenaustausch möglich ist. Über die erwähnten Listen werden die benachbarten Netzknoten informiert, dass eine Kommunikation zum Zugangspunkt und dem endgültigen Ziel des Datenpaketes möglich ist, so dass keine Änderung in der Beschreibung der Routing-Funktion notwendig ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen jeweils beispielhaft:
1, 2 und 3 drei verschiedene Funknetze zur Verdeutlichung der bisherigen Problematik und
4 ein Funknetz entsprechend der Erfindung.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel eines Funknetzes wird der Zugangspunkt AP, hinter dem sich die logischen Netzwerkfunktionen/adressen Network Manager NM und Gateway GW verstecken, so programmiert, dass er sowohl Datenpakete, die an ihn selbst, als auch solche, die an den Network Manager NM oder das Gateway GW adressiert sind, annimmt. Gleichzeitig werden bei der Routenvorgabe, d. h. der Festlegung der Graphen für das Routing, die hier vom Network Manager NM durchgeführt wird, in die Liste LA des dem Zugangspunkt AP benachbarten Netzknotens A die Zieladresse des anderen benachbarten Netzknotens B sowie zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes AP die Zieladressen des Network Managers NM und Gateways GW eingetragen. Entsprechend werden in die Liste LB des Netzknotens B die Zieladresse des Netzknotens A sowie zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes AP die Zieladressen des Network Managers NM und Gateways GW eingetragen. Damit wird die in 1 gestrichelt dargestellte Verbindung von A nach B aktiviert.
Durch die Maßgabe beim Routing, möglichst direkte Wege für die Datenpakete einzuschlagen, erhalten nun die Pfade von A nach AP und B nach AP eine höhere Gewichtung, so dass erst bei einer Störung der Verbindung zu dem sich als GW oder NM ausgebenden Zugangspunkt AP der Pfad zum benachbarten Netzknoten B bzw. A ausgeführt wird. Die Netzknoten A und B erhalten damit die Information, dass sie direkt mit den Zielen NM und GW jenseits des Zugangspunktes AP verbunden sind, ohne dass zusätzliche Ressourcen in den Netzknoten A und B benötigt werden.
Kommt beispielsweise ein Datenpaket, das an das Gateway GW adressiert ist, im Netzknoten B an, wird dieser zunächst versuchen, das Datenpaket direkt zum Gateway GW, also den sich als GW ausgebenden Zugangspunkt AP, zuzustellen. Schlägt dies z. B. wegen einer Störung fehl, kann das Datenpaket an den Netzknoten A weitergeleitet werden. Dort wird dann auch zunächst die Zustellung an den Zugangspunkt AP als GW versucht, so dass stets ein oder mehrere Zustellversuche zu GW/AP erfolgen, bevor eine mögliche Zustellung an den jeweils anderen benachbarten Netknoten B bzw. A erfolgt. Damit kann es nur dann zu einem wiederholten Austausch des Datenpakets zwischen A und B kommen, wenn auf beiden Pfaden von A nach AP und von B nach AP eine Störung vorliegt. Dann hat dieses Verhalten keinen negativen Einfluss, da auch ohne Redundanz der Pfade kein Datenpaket am Ziel, hier GW/AP, ankommen würde. Durch die mehrfache Zugangsadresse im AP ist also bei Störung nur einer Verbindung zum Zugangspunkt AP immer ein redundanter Pfad vorhanden, über den eine Zustellung des Datenpakets zum Ziel erfolgt.

Claims

Vermaschtes Funknetz mit einem Zugangspunkt (AP) zur Weiterleitung von Datenpaketen an Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes, wobei – für das Routing von Datenpaketen innerhalb des Funknetzes verschiedene, aus zumindest teilweise redundanten Kommunikationspfaden zwischen den Netzknoten (A bis G) bestehende Graphen festgelegt sind und jeder Graph durch einen Graph Identifier identifiziert ist, und – jeder Netzknoten (z. B. C) eine Liste (LC) enthält, in der für jeden Graph, der diesen Netzknoten (C) enthält, mindestens ein benachbarter Netzknoten (A, D) angegeben ist, an den ein mit dem zugehörigen Graph Identifier sowie einer Zieladresse versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann, – wobei der Netzknoten (C) dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass in der Liste (LC) für den durch den Graph Identifier des Datenpakets identifizierten Graph mindestens zwei benachbarte Netzknoten angegeben sind, von denen einer das durch die Zieladresse bestimmte Ziel des Datenpakets ist, das Datenpaket in einem ersten Versuch an den das Ziel bildenden benachbarten Netzknoten weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, – dass jede Liste (LA, LB), die den Zugangspunkt (AP) als einen von mindestens zwei benachbarten Netzknoten (AP, B; AP, A) enthält, zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes (AP) die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes enthält, und – dass der Zugangspunkt (AP) dazu ausgebildet ist, ein Datenpaket mit der Zieladresse eines der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes anzunehmen.
Vermaschtes Funknetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Listen (LA, LB) von zwei dem Zugangspunkt (AP) benachbarten Netzknoten (A, B) jeweils die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes und den jeweils anderen Netzknoten (B bzw. A) als möglichen Empfänger für das weiterzuleitende Datenpaket angeben.
Netzknoten (A, B) zur Weiterleitung von Datenpaketen aus einem vermaschten Funknetz über einem Zugangspunkt (AP) an Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes, wobei – für das Routing von Datenpaketen innerhalb des Funknetzes verschiedene, aus zumindest teilweise redundanten Kommunikationspfaden zwischen dem Netzknoten (A, B) und weiteren Netzknoten (C bis G) bestehende Graphen festgelegt sind und jeder Graph durch einen Graph Identifier identifiziert ist, und – der Netzknoten (A, B) eine Liste (LA, LB) enthält, in der für jeden Graph, der den Netzknoten (A, B) enthält, der Zugangspunkt (AP) und mindestens ein weiterer benachbarter Netzknoten (B, A) angegeben ist, an die ein mit dem zugehörigen Graph Identifier sowie einer Zieladresse versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, – dass die Liste (LA, LB) zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes (AP) die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes enthält, und – dass der Zugangspunkt (AP) dazu ausgebildet ist, ein Datenpaket mit der Zieladresse eines der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes anzunehmen.
Netzwerkkoordinator (NM) für ein vermaschtes Funknetz mit einem Zugangspunkt (AP) zur Weiterleitung von Datenpaketen an Ziele außerhalb des Funknetzes, wobei der Netzwerkkoordinator (NM) dazu ausgebildet ist, – für das Routing von Datenpaketen innerhalb des Funknetzes verschiedene, aus zumindest teilweise redundanten Kommunikationspfaden zwischen den Netzknoten (A bis G) bestehende Graphen festzulegen und jeden Graph durch einen Graph Identifier zu identifizieren, und – in jedem Netzknoten (z. B. C) eine Liste (LC) anzulegen, in der für jeden Graph, der diesen Netzknoten (C) enthält, mindestens ein benachbarter Netzknoten (A, D) angegeben ist, an den ein mit dem zugehörigen Graph Identifier sowie einer Zieladresse versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, – dass der Netzwerkkoordinator (NM) weiterhin dazu ausgebildet ist, in jede Liste (LA, LB), die den Zugangspunkt (AP) als einen von mindestens zwei benachbarten Netzknoten (AP, B; AP, A) enthält, zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes (AP) die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes einzutragen, so dass der diese Liste (LA, LB enthaltende Netzknoten (A, B) befähigt ist, ein Datenpaket, dessen Zieladresse eines der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes bestimmt, in einem ersten Versuch an den Zugangspunkt (AP) weiterzuleiten.
Verfahren zum Routing von Datenpaketen in einem vermaschten Funknetz mit einem Zugangspunkt (AP) zur Weiterleitung der Datenpakete an Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes, wobei – für das Routing von Datenpaketen innerhalb des Funknetzes verschiedene, aus zumindest teilweise redundanten Kommunikationspfaden zwischen den Netzknoten (A bis G) bestehende Graphen festgelegt werden und jeder Graph durch einen Graph Identifier identifiziert wird, und – in jedem Netzknoten (z. B. C) eine Liste (LC) angelegt wird, in der für jeden Graph, der diesen Netzknoten (C) enthält, mindestens ein benachbarter Netzknoten (A, D) angegeben ist, an den ein mit dem zugehörigen Graph Identifier sowie einer Zieladresse versehenes Datenpaket weitergeleitet werden kann, – wobei für den Fall, dass in der Liste (LC) für den durch den Graph Identifier des Datenpakets identifizierten Graph mindestens zwei benachbarte Netzknoten (A bis G) angegeben sind, von denen einer das durch die Zieladresse bestimmte Ziel des Datenpakets ist, das Datenpaket in einem ersten Versuch an den das Ziel bildenden benachbarten Netzknoten weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass in jede Liste (LA, LB), die den Zugangspunkt (AP) als einen von mindestens zwei benachbarten Netzknoten (AP, B; AP, A) enthält, zusätzlich oder anstelle des Zugangspunktes (AP) die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes eingetragen werden und – dass ein Datenpaket, dessen Zieladresse eines der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes bestimmt, in einem ersten Versuch an den Zugangspunkt (AP) weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Listen (LA, LB) von zwei dem Zugangspunkt (AP) benachbarten Netzknoten (A, B) jeweils die Zieladressen der Ziele (NM, GW) außerhalb des Funknetzes und der jeweils andere Netzknoten (B bzw. A) als möglicher Empfänger für das weiterzuleitende Datenpaket eingetragen werden.