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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Analysieren eines Netzwerks, insbesondere zum bidirektionalen Mitschneiden und Einspeisen von Datenverkehr in heterogenen Kommunikationssystemen.
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Stand der Technik
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Unter dem Stichwort „Industrie 4.0“ oder „Vierte industrielle Revolution“ wird unter anderem die Entwicklung hin zu einer „intelligenten Fabrik“ (Englisch „smart factory“) verstanden, welche sich durch Wandlungsfähigkeit, Ressourceneffizienz, ergonomische Gestaltung sowie die Integration von Kunden und Geschäftspartnern in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozessen auszeichnet. Als technologische Grundlage werden häufig Cyber-physische Systeme und das „Internet der Dinge“ genannt. Die für Industrie 4.0 notwendige Automatisierungstechnik soll durch die Einführung von Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose und Kognition intelligenter werden und Menschen bei ihrer zunehmend komplexen Arbeit besser unterstützen.
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Die Tendenz hin zu Industrie 4.0 resultiert häufig in heterogenen Kommunikationssystemen, bei welchen zum Beispiel Feldbusse der Automatisierungstechnik auf der Steuerungsebene als untere Ebene einer Automatisierungspyramide und Computernetzwerke auf der Prozess- oder Betriebsleitebene als höhere Ebene der Automatisierungspyramide verwendet werden. Durch die zunehmende Umsetzung der Industrie-4.0-Paradigmen werden Umfang, Komplexität und Heterogenität der Anlagen- und IT-Vernetzung erheblich gesteigert.
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In der
US 6,233,613 B1 ist eine Verkehrsüberwachung über eine Kommunikationsverbindung von einem schnellen Ethernet Local Area Network (LAN) beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist ein System zum Analysieren eines Netzwerks vorgesehen, mit: einer Vielzahl von Analysevorrichtungen, welche dazu ausgelegt sind, gemäß einstellbaren Analyseparametern erste Daten aus dem zu analysierenden Netzwerk zu empfangen und gemäß den einstellbaren Analyseparametern zweite Daten in das zu analysierende Netzwerk einzuspeisen; wobei die Analysevorrichtungen dazu ausgelegt sind, sich zeitlich miteinander zu synchronisieren; und einer Steuervorrichtung, welche über ein physisches und/oder virtuelles Auswertenetzwerk mit den Analysevorrichtungen verbunden ist und mittels welcher die Analyseparameter zumindest zum Teil einstellbar sind.
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Unter einer Vielzahl von Analysevorrichtungen sind mindestens zwei, beispielsweise aber auch drei oder eine beliebige höhere Anzahl von Analysevorrichtungen zu verstehen. Das Netzwerk kann insbesondere ein heterogenes Kommunikationssystem oder Kommunikationsnetzwerk sein, welches beispielsweise mindestens einen Feldbus und/oder mindestens ein Computernetzwerk, etwa auf Basis des Ethernet-Protokolls, umfasst.
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Unter einem zeitlichen Synchronisieren der Analysevorrichtungen ist eine Zeitsynchronisierung, beispielsweise über der Precision Time Protocol (PTP), wie es in der Norm IEEE 1588 und/oder in der Norm IEC 61588 definiert ist. Ein PTP-Netz besteht aus kommunizierenden Uhren, vorliegend also aus Analysevorrichtungen, welche Uhren aufweisen. Von den teilnehmenden Analysevorrichtungen wird über beispielsweise den Best Master Clock(BMC)-Algorithmus diejenige ermittelt, welche die exakteste Zeit angibt. Diese Analysevorrichtung dient als Referenzuhr. Bei der Referenzuhr kann es sich auch um eine externe Uhr handeln, wobei die Analysevorrichtungen dazu ausgelegt sind, sich jeweils mit ihrer eigenen Uhr auf die externe Referenzuhr zu synchronisieren. Bei Änderungen in der Netz-Topologie des zu analysierenden Netzwerks wird der BMC-Algorithmus auf möglicherweise von der Referenzuhr abgeschnittenen Netzsegmenten neu durchgeführt.
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Das Auswertenetzwerk kann insbesondere bisher bestehende Netzwerkkomponenten des zu analysierenden Netzwerks, insbesondere physische Netzwerkkomponenten wie Kabel, Router, Switches etc. verwenden und somit teilweise als virtuelles Auswertenetzwerk bezeichnet werden. Alternativ kann das Auswertenetzwerk teilweise oder ausschließlich zusätzliche physische Komponenten aufweisen, welche nicht Teil des zu analysierenden Netzwerks sind und ausschließlich dem Auswertenetzwerk zur Verfügung stehen. Das System kann somit an beliebige, physisch oder durch entsprechende Programmierungen virtuell bereits vorliegende Netzwerkstrukturen und Datenkanäle angepasst werden und/oder diese bei Bedarf als Zusatzfunktionen erweitern.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Analysieren eines Netzwerks bereitgestellt, mit den Schritten: Empfangen von ersten Daten aus dem zu analysierenden Netzwerk mittels einer Vielzahl von Analysevorrichtungen gemäß einstellbaren Analyseparametern; Einspeisen von zweiten Daten in das Netzwerk mittels der Vielzahl von Analysevorrichtungen gemäß den einstellbaren Analyseparametern; zeitliches Synchronisieren der Vielzahl von Analysevorrichtungen; und Einstellen der Analyseparameter mittels einer Steuervorrichtung, welche über ein physisches und/oder virtuelles Auswertenetzwerk mit der Analysevorrichtung verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Feldbusse sind durch ihre Echtzeitfähigkeit und vergleichsweise kleine Datenpakete bei geringer Übertragungskapazität gekennzeichnet. Typische Computernetzwerke, beispielsweise über das Ethernet/IP-Protokoll, können in der Regel keine Echtzeitfähigkeit garantieren, verfügen jedoch über eine vielfach höhere Übertragungskapazität und können deutlich größere Datenpakete übertragen.
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Das vorliegende System stellt in Form der Analysevorrichtungen virtuelle Abzweigklemmen (im Sinne von Busankopplern, Englisch „tap“) bereit, so dass beispielsweise von einem Rechner in einem Computernetzwerk lesend und schreibend auf einen Anschluss (port) eines entfernten Feldbusses zugegriffen werden kann. Dabei bleiben Ende-zu-Ende-Echtzeiteigenschaften, beispielsweise unter Verwendung eines Reservierungsverfahrens für Netzwerkressourcen und intelligente Paketisierungs- und Filterfunktionen weitgehend oder vollständig erhalten.
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Das System ermöglicht eine Filterung und eine Auslagerung von intelligenten Sende-Funktionen auf der Analysevorrichtung (zum Beispiel als Verbindung zum Feldbus), so dass Daten beim Auslösen eines Triggers, d.h. eines Auslösers (zum Beispiel Filter auf bestimmte Datenfelder/Inhalte der in dem zu analysierenden Netzwerk transportierten Datenpakete) in Echtzeit eingespeist werden können. Mittels der Steuervorrichtung kann eine zentrale Auswertung vorgenommen werden, deren Ergebnisse beispielsweise mittels einer mit der Steuervorrichtung gekoppelten Anzeigevorrichtung (zum Beispiel Monitor) dargestellt werden können.
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Die Verwendung von zusätzlichen physischen Komponenten für das Auswertenetzwerk kann dazu beitragen, Daten besonders schnell von verschiedenen Quellen verarbeiten zu können und gegebenenfalls an Datensenken, zum Beispiel Aktoren, zu senden. Das Vorsehen eines ganz oder vollständig virtuellen Auswertenetzwerks auf bestehenden Netzwerkkomponenten und Netzwerkstrukturen des zu analysierenden Netzwerks ermöglicht ein Trennen des Kontrollverkehrs von der Datenebene, beispielsweise entsprechend dem Ansatz von Software-Defined Networking (SDN), sodass Netzwerkkapazitäten dynamisch genutzt werden können. SDN ermöglicht Netzadministratoren, das Netzwerk einfacher zu verwalten, indem die unteren Funktionsebenen in virtuelle Services abstrahiert werden. Die Hardware an den unteren Funktionsebenen muss also nicht mehr manuell konfiguriert werden. SDN entkoppelt dasjenige Teil-System, das entscheidet, wohin die Daten geschickt werden (die so genannte Control-Plane), vom darunterliegenden Teil-System, welches die Daten zum ausgewählten Bestimmungsort weiterleitet (die so genannte Data-Plane).
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Mittels der Steuervorrichtung, oder mehreren Steuervorrichtungen des erfindungsgemäßen Systems, können für die Analyse von Echtzeitsystemen (z.B. von Feldbussen mit QoS-Anforderungen wie Latenz etc.) Eigenschaften von Datenpaketen hinsichtlich des Echtzeitaspekts aufgearbeitet werden. An einer Anzeigevorrichtung können Informationen über z.B. Latenzen, Zyklen, Fehler, fehlende Datenpakete etc. graphisch dargestellt werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist mindestens eine der Analysevorrichtungen in einer Intra-Netzwerk-Verbindung des Netzwerks eingebracht, das heißt an einer Verbindung, welche verschiedene Elemente innerhalb ein- und desselben Netzwerks koppelt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Analysevorrichtungen auf einer bestehenden Netzwerkkomponente implementiert, insbesondere auf einer bestehenden Netzwerkkomponente mit direkter Verbindung zu einem Teilnehmer des zu analysierenden Netzwerks. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Analysevorrichtungen in eine Verbindung zwischen Teilnehmern des Netzwerks eingebracht. Das System lässt sich somit sowohl in traditionellen Computernetzwerken wie auch in heterogenen Netzwerken mit verschiedenen Feldbussen nutzen. Insbesondere können unterschiedliche Verbindungstopologien, beispielsweise Bus-, Stern- und/oder Daisy-Chain-Topologien genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Auswertenetzwerk zumindest teilweise als ein virtuelles Auswertenetzwerk ausgebildet, welches auf physischen Netzwerkkomponenten des zu analysierenden Netzwerks implementiert ist. Somit kann eine bestehende Netzwerkinfrastruktur vorteilhaft weiter verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine Analysevorrichtung, bevorzugt alle Analysevorrichtungen, so ausgelegt, die empfangenen ersten Daten mit einem Zeitstempel („time stamping“) zu versehen. Somit wird eine nachvollziehbare, genaue zeitliche Zuordnung der ersten Daten bzw. der die ersten Daten ausmachenden Datenpakete ermöglicht, so dass die Analysevorrichtung als virtuelle Abzweigklemme sich besonders zur Diagnose und als Datenquelle für Big-Data-Anwendungen eignet. Durch Verfolgung von einzelnen Datenpaketen durch das zu analysierende Netzwerk mittels der Zeitstempel wird außerdem eine Analyse von Verzögerungszeiten ermöglicht. Für die Ermöglichung einer Echtzeitauswertung mit definiertem Quality-of-Service (QoS) können entsprechende Protokolle für die Zeitsynchronisation und Kapselung und die Weiterleitung von Datenverkehr auf dem Netzwerk verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Vielzahl von Analysevorrichtungen, bevorzugt alle Analysevorrichtungen, dazu ausgelegt, die ersten Daten unmittelbar aus einem Feldbus zu entnehmen und/oder die zweiten Daten unmittelbar in den Feldbus einzuspeisen, wobei an dem Feldbus mindestens ein Aktor oder Sensor angeschlossen ist. Unter einem unmittelbaren Einspeisen oder einem unmittelbaren Entnehmen soll insbesondere verstanden werden, dass zwischen der Analysevorrichtung und dem Feldbus kein weiteres Netzwerk und keine weitere Netzwerkkomponente angeordnet ist, welche ein sowohl von der Analysevorrichtung als auch von dem Feldbus verschiedenes Kommunikationsprotokoll verwendet. Die Analysevorrichtung oder die Analysevorrichtungen wird oder werden beispielsweise an existierenden Knoten über einen (virtuellen) Monitor-Port angekoppelt oder es kann eine zusätzliche Tap-Komponente (zum Beispiel ein Switch mit zusätzlichem Monitor-Port) zur Beobachtung eingeschleift werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Vielzahl von Analysevorrichtungen, insbesondere alle der Analysevorrichtungen, dazu ausgelegt, die ersten Daten unmittelbar aus einem Ethernet-basierten Netzwerk zu entnehmen und/oder die zweiten Daten unmittelbar in das Ethernet-basierte Netzwerk einzuspeisen.
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Vorteilhaft kann mindestens eine der Vielzahl von Analysevorrichtungen dazu ausgelegt sein, die ersten Daten unmittelbar aus einem Feldbus zu entnehmen und/oder die zweiten Daten unmittelbar in den Feldbus einzuspeisen und eine weitere (oder dieselbe) der Vielzahl von Analysevorrichtungen dazu ausgelegt sein, die ersten Daten unmittelbar aus einem Ethernet-basierten Netzwerk zu entnehmen und/oder die zweiten Daten unmittelbar in das Ethernet-basierte Netzwerk einzuspeisen. Wo hier, im Vorangehenden und im Folgenden davon die Rede ist, dass mehrere Analysevorrichtungen die ersten Daten empfangen und die zweiten Daten einspeisen, soll darunter verstanden werden, dass sich die von jeder Analysevorrichtung empfangenen Daten (erste Daten) von den von der jeweiligen Analysevorrichtung eingespeisten Daten (zweite Daten) unterscheiden können, und dass sich die ersten Daten der jeweiligen Analysevorrichtungen, und auch die zweiten Daten der jeweiligen Analysevorrichtungen, voneinander unterscheiden können und im Regelfall auch unterscheiden werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine der Vielzahl von Analysevorrichtungen, bevorzugt alle der Analysevorrichtungen, dazu ausgelegt, die ersten Daten ganz oder teilweise an die Steuervorrichtung und/oder an eine externe Auswertevorrichtung zu übermitteln. Insbesondere kann durch die jeweilige Analysevorrichtung, oder durch alle Analysevorrichtungen, eine Vorverarbeitung durchgeführt werden. Beispielsweise können durch die jeweilige Analysevorrichtung einzelne Ereignisse generiert und zum Beispiel nur Abweichungen von einer Vorgabe an die Steuervorrichtung und/oder die externe Auswertevorrichtung übermittelt werden. Dadurch kann die Datenlast in dem zu analysierenden Netzwerk gering gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch eine erste Analysevorrichtung zusätzlicher Datenverkehr in das zu analysierende Netzwerk als Teil, oder als Gesamtheit, der zweiten Daten eingespeist werden und eine Reaktion darauf in einer zweiten Analysevorrichtung oder mehreren zweiten Analysevorrichtungen, anhand der jeweils empfangenen ersten Daten beobachtet und analysiert werden. Auf jeder Teilstrecke kann durch Einfügen von zusätzlichem Verkehr über eine jeweilige Analysevorrichtung eine Belastung des zu analysierenden Netzwerks strapaziert und dessen Robustheit getestet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann durch eine erste Analysevorrichtung durch Blockierung eines gesamten Datenverkehrs durch die erste Analysevorrichtung ein Ausfall einer Teilstrecke (Kabelbruch) oder einer einzelnen Komponente (Defekt) emuliert werden und basierend auf durch eine zweite Analysevorrichtung empfangenen ersten Daten eine Reaktion auf das Blockieren des gesamten Datenverkehrs durch die erste Analysevorrichtung analysiert werden. Testfälle können entsprechend einer Topologie des zu analysierenden Netzwerks festgelegt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems zum Analysieren eines Netzwerks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems zum Analysieren eines Netzwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 schematisch ein Netzwerk, zu dessen Analysieren das erfindungsgemäße System anwendbar ist;
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4 schematisch mögliche Positionen von Analyseeinrichtungen des erfindungsgemäßen Systems in dem Netzwerk von 3;
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5 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Analysieren eines Netzwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Variante des Verfahrens gemäß 5; und
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7 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante des Verfahrens gemäß 5.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 10 zum Analysieren eines Netzwerks 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das System 10 umfasst eine Vielzahl von Analysevorrichtungen 12, welche dazu ausgelegt sind, gemäß einstellbaren Analyseparametern erste Daten aus dem Netzwerk 1 zu empfangen und gemäß den einstellbaren Analyseparametern zweite Daten in das Netzwerk 1 einzuspeisen. Die Analysevorrichtungen 12 sind dazu ausgebildet, sich zeitlich miteinander zu synchronisieren, beispielsweise über das IEEE 1588-Protokoll. Dies kann, wie im Vorangehenden beschrieben, ganz oder teilweise mittels eines zusätzlichen Auswertenetzwerks als Synchronisationsnetzwerk und/oder durch vorhandene Netzwerkinfrastruktur erfolgen. Die zeitliche Synchronisierung kann insbesondere durch Mitlauschen, beispielsweise von Broadcasts, erfolgen. Die Analysevorrichtungen 12 können beispielsweise in einem Kommunikationsgateway ausgeführt werden.
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Das System 10 umfasst weiterhin eine Steuervorrichtung 16, welche über ein physisches und/oder virtuelles Auswertenetzwerk 2 mit den Analysevorrichtungen 12 verbunden ist und mittels welcher die Analyseparameter zumindest zum Teil einstellbar sind. Bei der Steuervorrichtung 16 kann es sich beispielsweise um einen Computer oder ein Computerterminal handeln, insbesondere verbunden oder gekoppelt mit einer Darstellungsvorrichtung, beispielsweise einem Monitor oder einem Touchscreen. Mittels der Steuervorrichtung 16 kann das erfindungsgemäße System 10 beispielsweise zwischen einem „Messmodus“ und einem „Verwaltungsmodus“ umgeschaltet werden. Es kann vorgesehen sein, dass im „Messmodus“ die Analysevorrichtungen lediglich lauschen, das heißt die jeweiligen ersten Daten aus dem Netzwerk 1 empfangen und dazu Informationen speichern, beispielsweise eine Trace/Log-Datei. Das Speichern der zusätzlichen Informationen kann lokal in den Analysevorrichtungen 12 erfolgen, kann aber auch in einer Cloud und/oder in der Steuervorrichtung 16 oder einer zusätzlichen Speichervorrichtung erfolgen. In dem Verwaltungsmodus können beispielsweise Filter und Auslöser („Trigger“) auf die Analysevorrichtungen 12 konfiguriert, Traces gesammelt und Uhren der Analysevorrichtungen 12 und/oder weiterer Teilnehmer des zu analysierenden Netzwerks 1 synchronisiert werden.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 110 zum Analysieren eines Netzwerks 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Netzwerk 1 ist dabei beispielhaft für eine Vielzahl von möglichen Netzwerken, für welche das erfindungsgemäße System 110 geeignet ist. Das System 110 ist als eine Variante des oben beschriebenen Systems 10 bezeichenbar, sodass alle in Bezug auf das System 10 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen auch für das System 110 anwendbar sind.
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Das Netzwerk 1 umfasst als eine erste, höhere Ebene 81 einer Automatisierungspyramide ein Computernetzwerk 83 mit Computern 88, 89 als Teilnehmer. An einen ersten Computer 88 als Teilnehmer des Computernetzwerks 83 ist auf einer zweiten, niedrigeren Ebene 82 des Netzwerks 1 ein erstes Feldbusnetzwerk 84 angeschlossen. Auf derselben niedrigeren Ebene 82 ist, an einem zweiten Computer 89 als Teilnehmer des Computernetzwerks 83, ein zweites Feldbusnetzwerk 85 angeschlossen. An das erste Feldbusnetzwerk 84 sind Feldbusteilnehmer 86 angeschlossen, beispielsweise Aktoren und Sensoren. An das zweite Feldbusnetzwerk 85 sind Feldbusteilnehmer 87 angeschlossen, beispielsweise Aktoren und Sensoren. Das erste und das zweite Feldbusnetzwerk 84, 85 können insbesondere von verschiedenen Herstellern hergestellt sein und/oder auf verschiedenen Kommunikationsprotokollen basieren.
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Wie in 1 dargestellt, sind, als Teil des Systems 110, eine erste Analysevorrichtung 112 und eine zweite Analysevorrichtung 212 an das Netzwerk 1 angeschlossen, welche miteinander zeitsynchronisiert sind bzw. sich miteinander zeitlich synchronisieren, beispielsweise wie voranstehend beschrieben. Die Analysevorrichtungen 112, 212 sind dazu ausgelegt, gemäß einstellbaren Analyseparametern erste Daten aus dem Netzwerk 1 zu empfangen und gemäß den einstellbaren Analyseparametern zweite Daten in das Netzwerk 1 einzuspeisen.
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Die erste Analysevorrichtung 112 ist einerseits an das Computernetzwerk 83, andererseits an das erste Feldbusnetzwerk 84 angekoppelt. Die zweite Analysevorrichtung 212 ist einerseits an das erste Feldbusnetzwerk 84, andererseits an das zweite Feldbusnetzwerk 85 gekoppelt. Die Zeitsynchronisierung erfolgt somit beispielsweise über das erste Feldbusnetzwerk 84, d.h. auf bestehenden physischen Strukturen des Netzwerks 1. Insofern ist ein Auswertenetzwerk, über welches die Analysevorrichtungen 112, 212 miteinander kommunizieren, als – zumindest teilweise – virtuelles Netzwerk bezeichenbar. Die erste und die zweite Analysevorrichtung 112, 212 können mit anderen Worten an ein bestehendes Netzwerk 1 angekoppelt werden und miteinander kommunizieren, ohne dass zusätzliche Hardware, d.h. physische Komponenten, notwendig sind.
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Die erste Analysevorrichtung 112 ist mit einer ersten Steuereinrichtung 116 verbunden, welche ebenfalls an dem Computernetzwerk 83 angeschlossen ist. Die erste Steuereinrichtung 116 umfasst vorzugsweise eine Darstellungsvorrichtung 118, beispielsweise einen Monitor, insbesondere einen Touchscreen. Die erste Steuereinrichtung 116 kann beispielsweise als PC („personal computer“) ausgebildet sein.
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Das System 110 weist eine zweite Steuervorrichtung 216 auf, welche über eine von dem Netzwerk 1 separate, zusätzliche Leitung 202, beispielsweise eine drahtlose Leitung oder eine Drahtleitung, mit der zweiten Analysevorrichtung 212 verbunden ist. Die zweite Steuereinrichtung 216 umfasst vorzugsweise eine Darstellungsvorrichtung 218, beispielsweise einen Monitor, insbesondere einen Touchscreen. Mittels der ersten Steuereinrichtung 116 und/oder der zweiten Steuervorrichtung 216 sind die einstellbaren Analyseparameter für die erste und/oder für die zweite Analysevorrichtung 112, 212 einstellbar. Das System 110 kann auch nur mit der ersten oder nur mit der zweiten Steuervorrichtung 116, 216 ausgestattet sein. Es können auch drei oder mehr Steuervorrichtungen 116, 216 vorgesehen sein, von denen aber nur einige, oder nur eine, eine Darstellungsvorrichtung 118, 218 aufweist.
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Die von der ersten und/oder von der zweiten Analysevorrichtung 112, 212 erzeugten und in das Netzwerk 1 eingespeisten zweiten Daten können Datensignale umfassen, welche an die erste und/oder an die zweite Steuervorrichtung 116, 216 adressiert sind, siehe dazu auch beispielsweise 6. Die Analysevorrichtungen 112, 212 können beispielsweise jeweils eine Vorverarbeitung der jeweils empfangenen ersten Daten durchführen und ein Ergebnis der Verarbeitung als Datensignal in das Netzwerk 1 zur weiteren Verarbeitung durch die erste und/oder die zweite Steuervorrichtung 116, 216 einspeisen. Die Analysevorrichtungen 112, 212 können beispielsweise die ersten Daten filtern, basierend auf den gefilterten Daten Events erzeugen und diese an die erste und/oder die zweite Steuervorrichtung 116, 216 übermitteln. Die einstellbaren Analyseparameter können dazu Filterregeln umfassen.
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Die von der ersten und/oder der zweiten Analysevorrichtung 112, 212 erzeugten Datensignale können mehrfach übertragen werden, kodiert sein oder mit einem zyklischen Redundanzprüfungscode (engl. „cyclic redundancy code“, CRC), versehen sein. Eine Überprüfung dieser Merkmale an verschiedenen Steuervorrichtungen 116, 216 ermöglicht ein Lokalisieren von Fehlern in dem Netzwerk 1. Für redundante Übertragungen von Datensignalen wird eine Diversität passiv durch Beobachtung an mehreren Analysevorrichtungen 112, 212 gemessen und an einer Steuervorrichtung 116, 216 überprüft.
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Die Kommunikation zwischen der zweiten Analysevorrichtung 212 und der zweiten Steuervorrichtung 216 erfolgt über die zusätzliche Leitung 202. Die Kommunikation zwischen der ersten Analysevorrichtung 112 und der zweiten Steuervorrichtung 216 erfolgt beispielsweise über das erste Feldbusnetzwerk 84 und die zweite Analysevorrichtung 212 und/oder über das das Computernetzwerk 83, das zweite Feldbusnetzwerk 85 und die zweite Analysevorrichtung 212. Die Kommunikation zwischen der ersten Analysevorrichtung 112 und der ersten Steuereinrichtung 116 erfolgt über das Computernetzwerk 83 als Teil des Auswertenetzwerks. Die Kommunikation zwischen der zweiten Analysevorrichtung 212 und der ersten Steuervorrichtung 116 erfolgt beispielsweise über das erste Feldbusnetzwerk 84, den ersten Computer 88 und das Computernetzwerk 83 und/oder über das erste Feldbusnetzwerk 84, die erste Analysevorrichtung 112 und das Computernetzwerk 83 und/oder über das zweite Feldbusnetzwerk 85, den zweiten Computer 89 und das Computernetzwerk 83.
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Werden mehrere oder alle der für die jeweilige Kommunikation möglichen Kommunikationswege verwendet, können durch die jeweilige Steuervorrichtung 116, 216 Unterschiede zwischen den an sich gleichen, aber über unterschiedliche Kommunikationswege übermittelten Datensignalen der ersten und/oder der zweiten Analysevorrichtung 112, 212 festgestellt und ausgewertet werden. Beispielsweise kann eine jeweilige Latenzzeit beobachtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann überprüft werden, ob sämtliche über einen Kommunikationsweg gesendeten Daten auch über den oder die anderen Kommunikationswege ankommen.
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Weiterhin können durch das erfindungsgemäße System 110 Signale bezüglich korrelierter Größen beobachtet und überwacht werden, sowohl im Hinblick auf deren Inhalt, welcher die jeweilige Größe indiziert, als auch im Hinblick auf deren Kommunikationsdaten. Bei den korrelierten Größen kann es sich insbesondere um physikalische Größen handeln. Beispielsweise kann es sich bei einem der Sensoren/Aktoren 86 an dem ersten Feldbusnetzwerk 84 um einen ersten Temperatursensor handeln, welcher Temperaturinformationen erfasst und an das erste Feldbusnetzwerk 84 übermittelt und bei einem der Sensoren/Aktoren 87 an dem zweiten Feldbusnetzwerk 85 um einen physikalisch mit dem ersten Temperatursensor gekoppelten zweiten Temperatursensor handeln. Durch Vergleich der Ausgangssignale auf dem ersten und dem zweiten Feldbusnetzwerk 84, 85 des ersten und des zweiten Temperatursensors mittels der zweiten Analysevorrichtung 212 und/oder der zweiten Steuervorrichtung 216 kann beispielsweise eine Überlastung eines der Temperatursensoren ermittelt werden. Zudem kann eine Präzision der Messung und insbesondere eine Qualität der Ausgangssignale der Temperatursensoren ermittelt und überwacht werden, beispielsweise eine Qualität von Funksignalen durch Überwachen und Vergleichen von nachrichtentechnischen Kommunikationsdaten wie etwa Funkparametern.
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Als weiteres Beispiel für das Überwachen von Kommunikationsdaten von Signalen bezüglich korrelierter Größen kann etwa ein erster Drehsensor, z.B. an dem ersten Feldbusnetzwerk 84, Bewegungsparameter (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkellage) einer ersten Welle messen, während ein zweiter Drehsensor, z.B. an dem z weiten Feldbusnetzwerk 85, zum Messen von Bewegungsparametern (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkellage) einer zweiten Welle ausgelegt ist, wobei die erste und die zweite Welle im Regelfall synchron laufen sollten.
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Für die Auswerte korrelierter Signale, d.h. von Signalen bezüglich korrelierter Größen oder von nachrichtentechnisch korrelierten Signalen, können an einer oder mehreren Steuervorrichtungen 116, 216 Abhängigkeiten der korrelierten Größen oder Signale definiert, aufbereitet und dargestellt werden. Somit können komplexe Inhalte von verschiedenen Quellen verarbeitet und Abweichungen aufgezeigt werden, beispielsweise im Hinblick auf die zeitliche Synchronizität.
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Die einstellbaren Analyseparameter können Trigger, also Auslöser auf explizite Dateninhalte oder Nachrichten-IDs umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch Muster wie Regelmäßigkeiten, z.B. Zyklen und/oder besondere transitive Eigenschaften, z.B. eine Kurzzeit-Summen-Buslast in Form einer ausgelagerten Funktion auf einer, mehreren oder allen Analysevorrichtung 112, 212 definiert und als auslösende Elemente genutzt werden. Insbesondere bei Big-Data-Anwendungen werden Datenströme nicht nur inhaltlich, sondern auch im Hinblick auf ihre allgemeine Struktur ausgewertet.
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Zum Bereitstellen einer Vielzahl von Testmöglichkeiten können einfache Funktionsmuster, z.B. Skripte, auf mindestens einer Analysevorrichtung 112, 212 abgelegt werden, welche im Falle einer Auslösung eines Auslösers (d.h. bei einem so genannten Trigger-Ereignis) ausgeführt werden und daraufhin gezielt die zweiten Daten in das Netzwerk 1, z.B. in das erste oder zweite Feldbusnetzwerk 84, 85, einspeisen. Somit können auch virtuelle Steuerfunktionen auf der mindestens einen Analysevorrichtung 112, 212 umgesetzt werden.
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Es versteht sich, dass das System 110 nicht auf die zwei beschriebenen Analysevorrichtungen 112, 212 oder deren Anordnung in dem zu analysierenden Netzwerk 1 beschränkt ist, sondern dass das System 110 auch eine größere Anzahl von Analysevorrichtungen umfassen kann, welche auch anders angeordnet sein können. Mögliche Anordnungen weiterer Analysevorrichtungen in dem System 110 werden anhand der nachfolgenden 3 und 4 näher erläutert.
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3 zeigt schematisch ein Netzwerk 3, zu dessen Analysieren das erfindungsgemäße System anwendbar ist. Teilnehmerknoten 93 des Netzwerks 3 sind als schraffierte Kästen dargestellt, Netzwerkkomponenten 91 (z.B. Switches) des Netzwerks 3 sind als leere Kästen dargestellt und Netzwerkverbindungen 92 sind durch Linien dargestellt.
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4 zeigt schematisch mögliche Positionen von Analyseeinrichtungen 312, 412, 512, 612 des erfindungsgemäßen Systems in dem Netzwerk 3. Eine Steuervorrichtung 316, umfassend eine Anzeigevorrichtung 318, ist über ein zusätzlich ausgebildetes Auswertenetzwerk, bestehend aus Auswerteleitungen 302 und Auswerteknoten 304, mit den Analyseeinrichtungen 312, 412, 512, 612 verbunden. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße System auch mit Analysevorrichtungen an anderen Positionen oder anderen Kombinationen der in 4 dargestellten Positionen ausgebildet werden kann, und dass auch weniger als vier oder mehr als vier Analysevorrichtungen in dem erfindungsgemäßen System verwendet werden können.
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Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Steuervorrichtungen an einer, mehreren oder allen der Analysevorrichtungen 312, 412, 512, 612 direkt angekoppelt sein, wie in Bezug auf die Analysevorrichtung 212 und die Steuervorrichtung 216 im Hinblick auf 2 beschrieben.
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In 4 ist eine Analysevorrichtung 312 in eine Netzwerkverbindung 92, genauer eine Intra-Netzwerk-Verbindung, eingebracht. Eine Analysevorrichtung 412 ist auf einer bestehenden Netzwerkkomponente 91 implementiert, welche zwei Teil-Netzwerke miteinander verbindet, beispielsweise zwei verschiedene Teil-Netzwerke, etwa hinsichtlich eines jeweils verwendeten Kommunikationsprotokolls. Eine Analysevorrichtung 512 ist auf einer bestehenden Netzwerkkomponente 91 implementiert, welche eine direkte Verbindung zu einem Teilnehmer 93 aufweist. Eine Analysevorrichtung 612 ist in eine Netzwerkverbindung zwischen einer Netzwerkkomponente 91 und einem Teilnehmer 93 eingebracht.
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5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Analysieren eines Netzwerks 1; 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 5 ist insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Systems, z.B. des Systems 10 oder 110, durchführbar und ist gemäß allen in Bezug auf das erfindungsgemäße System, insbesondere das System 10 oder 110, beschriebene Varianten und Weiterbildungen anpassbar, und umgekehrt.
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In einem Schritt S01 werden erste Daten aus dem zu analysierenden Netzwerk 1; 3 mittels einer Vielzahl von Analysevorrichtungen 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 gemäß einstellbaren Analyseparametern empfangen. In einem zweiten Schritt S02 werden zweite Daten mittels der Vielzahl von Analysevorrichtungen 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 gemäß den einstellbaren Analyseparametern in das zu analysierende Netzwerk 1; 3 eingespeist. In einem Schritt S03 wird die Vielzahl von Analysevorrichtungen 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 zeitlich miteinander synchronisiert. In einem Schritt S04 werden die Analyseparameter mittels einer Steuervorrichtung 16; 116, 216; 316, welche über ein physisches oder virtuelles Auswertenetzwerk (2; 202; 302) mit der Vielzahl der Analysevorrichtungen 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 verbunden ist, eingestellt.
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In einem aktiven Testmodus kann, als Teil, oder als Gesamtheit, der zweiten Daten, durch eine erste Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 zusätzlicher Datenverkehr in das zu analysierende Netzwerk 1; 3 eingespeist werden und basierend auf durch eine zweite Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 empfangenen ersten Daten eine Reaktion auf den zusätzlich eingespeisten Datenverkehr analysiert werden.
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In dem aktiven Testmodus kann durch eine erste Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 ein gesamter Datenverkehr durch die erste Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 blockiert werden und basierend auf durch eine zweite Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 empfangenen ersten Daten eine Reaktion auf das Blockieren des Datenverkehrs analysiert werden. Ein derartiges Testen von aktiven Ausfällen im operativen Bereich ermöglicht die Online-Überprüfung in sicherheitskritischen Anwendungen.
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In einem optionalen Schritt S05 kann basierend auf den empfangenen ersten Daten ein Datensignal durch mindestens eine Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612 gemäß den Analyseparametern erzeugt und über das Auswertenetzwerk 2; 202; 302 an mindestens eine Steuervorrichtung 16; 116, 216; 316 übermittelt werden. Das Datensignal kann insbesondere Ergebnisse einer Vorverarbeitung, einer Analyse und/oder eines Vergleichs, jeweils durchgeführt durch die mindestens eine Analysevorrichtung 12; 112, 212; 312, 412, 512, 612, umfassen.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass die Schritte S01, S02, S03, S04 und der optionale Schritt S05 in einer anderen, beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden und/oder mit einem beliebigen Schritt S01, S02, S03, S04, S05 beginnen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung des Erzeugens S05 des Datensignals 60 gemäß einer Variante des Verfahrens gemäß 5. Das Erzeugen des Datensignals 60 wird anhand des Systems 110 aus 2 beispielhaft erläutert. In dem ersten Feldbusnetzwerk 84 werden Datenpakete 54 transportiert und in dem zweiten Feldbusnetzwerk 85 werden zweite Datenpakete 55 transportiert, jeweils mit einer Periode d in einer zeitlichen Dimension t. Die zweite Analysevorrichtung 212, welche sowohl in das erste Feldbusnetzwerk 84 als auch das zweite Feldbusnetzwerk 85 eingeschleift ist, überwacht die ersten und die zweiten Datenpakete 54, 55. Falls – z.B. zeitgleich – sowohl eines der ersten Datenpakete 54 als auch eines der zweiten Datenpakete 55 vorbestimmte Bedingungen gemäß den der zweiten Analysevorrichtung 212 vorgegebenen Analyseparametern erfüllen (dargestellt durch eine gestrichelte Umrandung), jeweils für sich oder gemeinsam, wird daraufhin durch die zweite Analysevorrichtung 212 das Datensignal 60 erzeugt. Das Datensignal 60 umfasst beispielsweise einen Header 56, Zusatzparameter 57, einem Dateninhalt 68 mit Informationen über das erste und/oder das zweite Datenpaket 54, 55, insbesondere das erste und/oder das zweite Datenpaket 54, 55 selbst, sowie gegebenenfalls weitere Elemente 59. Die Zusatzparameter 57 umfassen beispielsweise eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Datenpaket 54, 55, eine zeitliche Verzögerung oder ähnliches.
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7 verdeutlicht beispielhaft, dass basierend auf einem an die Analysevorrichtung 212 übermittelten Datensignal 61 mit z.B. denselben oder ähnlichen Komponenten wie das Datensignal 60 Datenpakete 62 basierend auf dem Dateninhalt 58 des Datensignals 61 in das erste Feldbusnetzwerk 84 eingespeist werden können. Das Datensignal 61 kann beispielsweise durch eine Steuervorrichtung 16; 116, 216; 316 und/oder durch eine oder mehrere andere Analysevorrichtungen 12; 112; 312, 412, 512, 612 an die zweite Analysevorrichtung 212 übermittelt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise kann eine einzelne Analysevorrichtung durch Nutzung mehrerer Interfaces auch mehrere Schnittstellen und Verbindungen gleichzeitig beobachten. Hierdurch wird eine Analyse von Knoten- und Gateway-Eigenschaften ermöglicht.
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Für Anwendungen wie Sercos III, Profinet, Ethercat oder Profibus werden festgelegte Rahmenstrukturen genutzt und definierte Protokolle eingesetzt. Die hieraus resultierenden Strukturen können als Basis zur Analyse der Daten auf höherer Ebene genutzt werden. Beispiele hierfür sind CAN-Matrix, Kommunikationszyklen oder OPC Unified Architecture (kurz: OPC UA) Formate der OPC Foundation.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEEE 1588 [0008]
- Norm IEC 61588 [0008]
- IEEE 1588-Protokoll [0036]