DE102014222183A1

DE102014222183A1 - Method and device for optimized routing in an industrial Ethernet

Info

Publication number: DE102014222183A1
Application number: DE102014222183.8A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Götz; Jürgen Schmitt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Das beanspruchte Verfahren zur Übermittlung eines Datenpakets in einem Kommunikationsnetz, von einem ersten Netzelement, welches als Datenquelle fungiert zu einem zweiten Netzelement, welches als Datensenke fungiert, wobei ein Verbindungsweg zwischen zwei Netzelementen mit einem übermittlungsrelevanten Gewichtungswert versehen sind, und der Übertragungsweg zwischen dem ersten und dem zweiten Netzelement über mindestens einen Verbindungsweg führt und ein zweiter übermittlungsrelevanter Gewichtungswert vorgesehen ist für das Netzelement. Die beanspruchte Vorrichtung umfasst in analoger Weise den übermittlungsrelevanten Gewichtungswert. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht es für vorher bestimmte Verbindungswege sicherzustellen, dass dort nur Pakete weitergeleitet werden wenn der Empfänger und/oder der Sender ausschließlich über diesen Verbindungsweg erreichbar ist.The claimed method for transmitting a data packet in a communication network, from a first network element, which acts as a data source to a second network element, which acts as a data sink, wherein a connection path between two network elements are provided with a transmission-relevant weighting value, and the transmission path between the first and the second network element via at least one connection path leads and a second transmission-relevant weighting value is provided for the network element. The claimed device comprises in an analogous manner the transmission-relevant weighting value. The method presented here makes it possible for previously determined connection paths to ensure that only packets are forwarded there if the receiver and / or the transmitter can only be reached via this connection path.

Description

Kommunikationsnetze sind in der heutigen Zeit essentielle Basis jeder Technologie. Auch in den Industriellen Anlagen funktioniert die Kommunikation zwischen der Steuerung, den Sensoren und den Aktoren über Kommunikationsnetze. Diese basieren derzeit noch auf speziellen industriellen Kommunikationsprotokollen, um die der Industrie eigenen Anforderungen, insbesondere der Echtzeitkommunikation zu erfüllen. Der Trend geht jedoch immer weiter in Richtung eines allgemeinen Kommunikationsprotokolls, die Welten der herkömmlichen Telekommunikation und der industriellen Kommunikation nähern sich immer weiter an. Gleichzeitig werden in Industrieanlagen benötigten Kommunikationsnetze auch immer komplexer. Immer mehr Industrien, die mit Kommunikationsnetzen zu tun haben fordern Lösungen, welche Ihnen Möglichkeiten bieten, größere Ethernet-Netze zu betreiben. Der Antrieb für diese Bemühungen besteht auch darin, relativ teure IP-Router durch viel günstigere Ethernet-Bridges zu ersetzen. Communication networks are the essential basis of any technology today. In industrial plants too, communication between the controller, the sensors and the actuators functions via communication networks. These are currently still based on special industrial communication protocols to meet the industry's own requirements, in particular the real-time communication. However, the trend continues towards a general communication protocol, the worlds of traditional telecommunications and industrial communication are approaching. At the same time, communication networks needed in industrial plants are becoming ever more complex. More and more industries dealing with communication networks are demanding solutions that offer you the possibility to operate larger Ethernet networks. The drive for this effort is also to replace relatively expensive IP routers with much cheaper Ethernet bridges.

Eines der grundlegenden Probleme in Kommunikationsnetzen ist die Berechnung des günstigsten Pfades. Heute schon werden für Datenströme Pfade im Netz berechnet um sie dann exakt entlang dieser Pfade in Netz weiterzuleiten. One of the fundamental problems in communication networks is the calculation of the cheapest path. Today, data streams are calculated in the network in order to forward them exactly along these paths in the network.

Einer der bekanntestens Algorithmen hierzu ist der Algoritzmus von Dijkstra. Er berechnet somit einen kürzesten Pfad zwischen einem gegebenen Startknoten und einem der (oder allen) übrigen Knoten in einem sogenannten kantengewichteten Graphen. Die Kantengewichtung entspricht dabei beispielsweise der Entfernung zwischen den beiden Netzknoten, andere Kriterien sind bekannt. One of the best known algorithms for this is the Algoritzmus of Dijkstra. It thus computes a shortest path between a given starting node and one of the (or all) remaining nodes in a so-called edge-weighted graph. The edge weighting corresponds, for example, to the distance between the two network nodes, other criteria are known.

Je größer diese Netze jedoch werden, desto wichtiger wird es, exakt diese Ströme auch besser steuern zu können. Denn gerade in der Industrieautomatisierung wird gefordert, möglichst günstige Bridges verbauen zu können und nicht im Worst-Case Fall immer alle Datenströme in jeder Bridge parallel beherrschen zu müssen. Um schwache Bridges zu schützen werden die Links zu diesen Bridges „teurer“ gemacht als üblich, also die Gewichtungen der Kanten entsprechend angepasst, sodass möglichst die Pakete umgeleitet werden. In großen Netzen wird diese Vorgehenswiese aber immer problematischer, da jeder Gewichtungs-Wert ab einer gewissen Ausdehnung des Netzes „günstig" erschienen kann. Es können dann keinerlei Garantien im Voraus gemacht werden welche Links im Netzwerk für welchen Datenstrom benutzt werden. However, the larger these networks become, the more important it is to be able to control these flows better. Especially in the field of industrial automation, it is necessary to be able to install the best possible bridges and not have to master all the data streams in each bridge in the worst case scenario. To protect weak bridges, the links to these bridges are made "more expensive" than usual, so the weights of the edges are adjusted accordingly, so that as far as possible the packets are redirected. In large networks, however, this approach is becoming more and more problematic, since any weighting value may appear "cheap" after a certain extent of the network, and no guarantee can be given in advance which links in the network will be used for which data stream.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die oben beschriebenen Probleme behebt. It is therefore an object of the invention to provide a method and a device which overcomes the problems described above.

Die beschriebene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß einem der unabhängigen Patentansprüche. The described object is achieved by a method and a device according to one of the independent patent claims.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Further advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.

Das beanspruchte Verfahren zur Übermittlung eines Datenpakets in einem Kommunikationsnetz, von einem ersten Netzelement, welches als Datenquelle fungiert zu einem zweiten Netzelement, welches als Datensenke fungiert, wobei ein Verbindungsweg zwischen zwei Netzelementen mit einem übermittlungsrelevanten Gewichtungswert versehen sind, und der Übertragungsweg zwischen dem ersten und dem zweiten Netzelement über mindestens einen Verbindungsweg führt und ein zweiter übermittlungsrelevanter Gewichtungswert vorgesehen ist für das Netzelement. Die beanspruchte Vorrichtung umfasst in analoger Weise den übermittlungsrelevanten Gewichtungswert. The claimed method for transmitting a data packet in a communication network, from a first network element, which acts as a data source to a second network element, which acts as a data sink, wherein a connection path between two network elements are provided with a transmission-relevant weighting value, and the transmission path between the first and the second network element via at least one connection path leads and a second transmission-relevant weighting value is provided for the network element. The claimed device comprises in an analogous manner the transmission-relevant weighting value.

Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht es für vorher bestimmte Verbindungswege sicherzustellen, dass dort nur Pakete weitergeleitet werden wenn der Empfänger und/oder der Sender ausschließlich über diesen Verbindungsweg erreichbar ist. Diese Garantie ermöglicht es auf diesen Strecken schwächere und damit billigere Bridges einzusetzen, da dann auf diesen Strecken die Art des Verkehrs bekannt ist und das Mengengerüst berechnet werden kann. Diese Bridges müssen damit vorteilhafterweise auch nicht alle Funktionen des Ethernet Standard unterstützen. The method presented here makes it possible for previously determined connection paths to ensure that only packets are forwarded there if the receiver and / or the transmitter can only be reached via this connection path. This guarantee makes it possible to use weaker and thus cheaper bridges on these routes, since the type of traffic is known on these routes and the quantity structure can be calculated. These bridges advantageously do not have to support all the functions of the Ethernet standard.

Im Folgenden wird die Erfindung durch Figuren dargestellt und weiter erläutert. Dabei zeigt In the following the invention is represented by figures and further explained. It shows

1 einen beispielhaften Netzaufbau nach dem Stand der Technik, 1 an exemplary network structure according to the prior art,

2 einen Netzaufbau mit einem „schwachen“ Netzelement gemäß dem Stand der Technik, 2 a network structure with a "weak" network element according to the prior art,

3 einen Netzaufbau gemäß dem beanspruchten Verfahren, 3 a network construction according to the claimed method,

4 eine umfangreichere Netztopologie, und 4 a more extensive network topology, and

5 die Netztopologie gemäß 4 mit ausgeblendeten Pfaden. 5 the network topology according to 4 with hidden paths.

1 und 2 zeigt einen Netzaufbau mit Netzelementen 100, 200, 300 wobei die Netzelemente 100 die Datenquelle bzw. Datensenke darstellen. Die Verbindungswege 400 zwischen den Netzelementen sind sogenannte gewichtete Kanten, die Zahlen an den Kanten geben die Gewichtung des Weges zwischen zwei Netzelementen an. Wie es zu dieser Gewichtung kommt, ist für die Erfindung nicht relevant. In dem dargestellten Beispiel ist eigentlich der Weg auf der unteren Verbindung gewünscht um die schwache Bridge 300 zu schonen. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem die untere Schleife jedoch sehr lang ist, und so wird trotzdem der vermeintlich kürzere Weg oben herum gewählt. Dies gilt auch für den Durchgangsverkehr zwischen den Netzelementen A und C. 1 and 2 shows a network structure with network elements 100 . 200 . 300 the network elements 100 represent the data source or data sink. The connection ways 400 between the network elements are so-called weighted edges, the numbers at the edges indicate the weighting of the path between two network elements. How this weighting comes about is not relevant to the invention. In the illustrated example, the path on the lower link is actually desired around the weak bridge 300 to protect. 2 shows an example in which the lower loop is very long, however, and so the allegedly shorter way up is nevertheless chosen. This also applies to through traffic between network elements A and C.

Um zu erreichen das schwache Bridges geschützt werden, werden nun erfindungsgemäß die Ports bzw. Links zu gekennzeichnet, 700, über die möglichst wenig Verkehr fließen soll. Dies verleiht den einzelnen Links zusätzlich zu den Kosten eine Semantik welche die Topologie im Netz in Hauptwege und Nebenwege aufteilt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dürfen Nebenwege nur benutzt werden, falls ein Endteilnehmer an diesen Nebenweg direkt angrenzt. In order to achieve the protection of weak bridges, according to the invention the ports or links are now marked, 700 , about which the least amount of traffic should flow. In addition to the costs, this gives the individual links a semantics which divides the topology in the network into main routes and byways. In an advantageous embodiment, side roads may only be used if an end user directly adjoins this byway.

Um den günstigsten Weg zu finden erfolgt die Pfadberechnung vorteilhafterweise nur auf einen Teil der Topologie. Für Pfade die von genau einem Sender zu genau einem Empfänger fließen (Unicast) besteht die Topologie aus den Netzverbindungen zwischen den starken Netzelementen (Bridges) 200 und den Netzverbindungen auf den schwachen Netzelementen 300, welche zwischen den Endteilnehmern und den starken Netzelementen liegen. In order to find the most favorable way, the path calculation advantageously takes place only on a part of the topology. For paths that flow from exactly one transmitter to exactly one receiver (unicast), the topology consists of the network connections between the strong network elements (bridges). 200 and the network connections on the weak network elements 300 which lie between the end users and the strong network elements.

Für Pfade die von einem Sender zu mehreren Empfängern fließen (Multicast) gibt es zwei Möglichkeiten:
Zum einen kann man die Multicastnachricht wie mehrere Unicast-Nachrichten behandeln und diese dann übereinanderlegen. Dies hat den Vorteil dass die Pfade möglichst lange auf den Hauptwegen zwischen den Starken Netzelementen 200 bleiben. Zum anderen kann man alle Nebenwege zwischen den schwachen Bridges einblenden und den Pfad für die Multicastnachricht auf einmal berechnen. Dies kann jedoch dazu führen, dass die Nebenwege stärker belastet werden. For paths that flow from one sender to multiple receivers (multicast), there are two options:
On the one hand, you can treat the multicast message like several unicast messages and then superimpose them. This has the advantage that the paths as long as possible on the main paths between the strong network elements 200 stay. On the other hand, you can show all the byways between the weak bridges and calculate the path for the multicast message at once. However, this can lead to more stress on the byways.

Heute werden bei der Pfadberechnung alle möglichen Wege gleichberechtigt behandelt. Durch das neue Verfahren ist es nun erstmals möglich, bestimmten Teilstrecken eine Semantik zu geben. Diese Semantik entspricht analog zum Straßennetz dem von Hauptstraßen, auf denen alle fahren können, und Anliegerstraßen auf welchen nur definierter Verkehr erlaubt ist. Today, all possible paths are treated equally on the path calculation. With the new procedure, it is now possible for the first time to give certain sections a semantics. Analogous to the road network, this semantics corresponds to that of main roads on which everyone can drive and adjacent roads on which only defined traffic is permitted.

Dadurch kann nun auch garantiert werden, dass die meisten Datenströme niemals durch diese als schwach markierten Netzelemente fließen und somit können diese Bridges in Netzen auch schwächer dimensioniert werden und auf Funktionen, welche die Endstationen entlang ihres Nebenweges nicht benötigen, verzichten. Heute müssen Bridges immer alle die Funktionen unterstützen die irgendein Datenstrom benötigt, da ja nicht garantiert werden kann, dass diese nicht durch geleitet werden müssen. Diese Garantien gelten vor allem auch dann wenn das Netz im Betrieb vergrößert oder verkleinert wird. Zum anderen können die Auswirkungen eines Linkausfalls auf einen dieser Anliegerstrecken genau definiert werden. Hierdurch kann auch der Kunde dieses Risiko für seine Applikationen viel besser abschätzen. As a result, it can now also be guaranteed that most data streams never flow through these network elements that are weakly marked, and thus these bridges can also be dimensioned weaker in networks and do without functions which the end stations do not need along their secondary path. Today, bridges must always support all the functions needed by any stream, as there is no guarantee that they will not have to be routed. Above all, these guarantees also apply if the network is increased or decreased during operation. On the other hand, the effects of a link failure on one of these adjacent routes can be precisely defined. This also allows the customer to estimate this risk for his applications much better.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Netzelement, Endstation Network element, end station
200 200: Netzelement, starke Bridge Network element, strong bridge
300 300: Netzelement, schwache Bridge Network element, weak bridge
400 400: Netzverbindung mit Verbindungskosten-Angabe Network connection with connection costs
500 500: kürzester Pfad shortest path
600 600: berechneter Pfad calculated path
700 700: gekennzeichneter Port marked port
900 900: ausgeblendeter Pfad hidden path

Claims

Method for transmitting a data packet in a communication network, which consists of network elements ( 100 . 200 . 300 ) from a first network element acting as the data source ( 100 , A) to a second network element, which acts as a data sink ( 100 , B), wherein a connection path between two network elements each having a transmission-relevant weighting value ( 400 ), and the transmission path between the first and the second network element via at least one connection path is characterized in that a second transmission-relevant weighting value ( 700 ) is provided for the network element.

Method according to claim 1, characterized in that the second transmission-relevant weighting value ( 700 ) is awarded for the network element at the port level.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a data packet is passed to a network element characterized by a weighting value or a designated port only if, for the data packet, this network element is addressed as a data sink.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a data packet is passed to a network element characterized by a weighting value or a designated port only if for the Data packet as data sink addressed network element adjacent to this network element.

Network element for transmitting a data packet in a communication network, which consists of network elements ( 100 . 200 . 300 ) from a first network element acting as the data source ( 100 , A) to a second network element, which acts as a data sink, wherein a connection path to a two network element with a transmission-relevant weighting value ( 400 ), and the transmission path between the first and the second network element via at least one connection path is characterized in that the network element has a second transmission-relevant weighting value ( 700 ) is provided.

Network element according to claim 5, characterized in that the second transmission-relevant weighting value ( 700 ) is assignable for the network element at the port level.