DE19752792A1 - Einrichtung zur Selbstdiagnose von im wesentlichen sporadischen Fehlern in seriellen Übertragungssystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Diagnose sporadischer Fehler in einem seriellen Übertragungssystem Netzwerk, das eine Anzahl von Teilnehmern miteinander und mit einer zentralen Diagnoseeinrichtung verbindet.

Im Zuge einer zunehmenden Dezentralisierung bei der Automatisierung vielfältigster Aufgaben, wie Sprach-, Video- und Datenübertragung, Fernsteuern und -regeln und dergleichen über räumlich ausgedehnte Netze mit einer großen Anzahl angeschlossener Netzwerkteilnehmer, kommt der Selbstdiagnose eines Übertragungssystems eine immer größer werdende Bedeutung zu. Aus diesem Grund hat man bereits Einrichtungen und Verfahren geschaffen, die eine Selbstdiagnose in derartigen Einrichtungen durchführen, die bereits so differenziert sind, daß sie dem Netzwerkbetreiber die Ursachen von Schwachstellen in seinem System selbständig mitteilen, ohne dabei den sonst üblichen Einsatz externer Hilfsmittel zu benötigen. Das Grundprinzip dieser Systeme besteht darin, alle an das Netz angeschlossene Teilnehmer in die Systemdiagnose einzubeziehen.

Die meisten bekannten Diagnoseverfahren und -einrichtungen beruhen auf einer zentralen Überwachung des Datenverkehrs, wobei die Einrichtung, welche die Überwachung steuert, auch den Datenverkehr aufzeichnet und versucht aus diesen Daten Rückschlüsse auf die Art und den Ort eines aufgetretenen Fehlers zu gewinnen.

Wie Fig. 1 einer solchen bekannten Anordnung eines Übertragungsnetzes ÜN, an das alle Teilnehmer Tln1 bis Tlnn mittels Anschlußschaltungen AS1 bis ASn parallel angeschlossen sind, zeigt, ist die Diagnoseeinrichtung DE als zentrales Element für die Überwachung des Datenverkehrs und die Auswertung der festgestellten Fehler vorgesehen und über ihre Anschlußschaltung AS ebenfalls an das Übertragungsnetz ÜN angeschaltet.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, gibt es hier ein Problem, wenn ein sporadischer Fehler F an der Stelle S1, d. h. auf dem Streckenabschnitt des Übertragungsnetzes ÜN auftritt, der die Teilnehmer Tln1 und Tln2 miteinander verbindet. Sporadische Fehler, wie beispielsweise stochastische Einbrüche von Störsignalen oder Entladungen elektrostatischer Überspannungen in den Übertragungsnetzen, haben die unangenehme Eigenschaft, daß sie meist nur kurzzeitig und dabei auch noch völlig asynchron auftreten. Dadurch ist es der Diagnoseeinrichtung DE zwar möglich den Fehler zu festzustellen, aber nicht möglich den Ort seines Auftretens zwischen Teilnehmer Tln1 und Teilnehmer Tln2 zu lokalisieren.

Man hat deshalb auch ein anderes System entwickelt, dessen Prinzip aus Fig. 2 hervorgeht und das diesen oben dargestellten Nachteil vermeidet. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes Master/Slave-System. In einem Master-/Slave- System führt der Master nach einem festgestellten Fehler F einen Diagnoselauf durch, um den Ort des Fehlers zu lokalisieren. Bei diesem Verfahren läßt sich der Fehlerort S2 eines sporadischen Fehlers, im Gegensatz zu einem harten Fehler, jedoch nur dann ermitteln, wenn er während des Diagnoselaufs noch aktiv ist. Ist der Fehler vorher verschwunden, dann gibt es bei diesem Verfahren keine Möglichkeit mehr, den Fehlerort zu bestimmen. Vermutlich ist auch die Information über die Art des Fehlers nicht mehr zu gewinnen.

Obwohl Systeme mit aktiver Teilnehmerankopplung, wie in Fig. 2, die besten Voraussetzungen für eine differenzierte Fehlerdiagnose bieten, sind die Störungen und der Ort ihres Auftretens nicht mehr lokalisierbar, wenn sie in eine Totzone fallen, die dort beginnt, wo die Netzwerk- Update-Zeit (NUT) durch den Fehlereinfluß nicht mehr einzuhalten ist (t_NUT), und zu dem Zeitpunkt endet, der für einen Diagnoselauf notwendig ist. Das bedeutet, daß alle Fehler, die von ihrer Fehlerwirkzeit her in diese Totzone fallen, prinzipbedingt nicht mehr lokalisiert werden können.

Fig. 3 veranschaulicht die Bandbreite B einer nicht lokalisierbaren Störung, die in die Totzone mit den erwähnten zeitlichen Grenzen fällt.

Da auch auf dem vorstehenden Prinzip beruhende Verfahren und Anordnungen nicht in allen Fällen die Lokalisierung von sporadischen Fehlern oder Störungen erlauben, ist ihre Verwendung in Diagnoseeinrichtungen, die mit absoluter Zuverlässigkeit alle auftretenden sporadischen Fehler erkennen müssen, weil bestimmte Anwendungen dieses erfordern, nicht für derartige Anwendungen geeignet. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diagnoseeinrichtung anzugeben, die alle auftretenden Störungen erfassen und lokalisieren kann und damit für Anwendungen mit höchsten Qualitätsansprüchen an die Fehlersicherheit geeignet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Hierdurch wird die Möglichkeit gegeben, eine lückenlose Fehlerdiagnose in Übertragungsnetzwerken auch für Sporadische Fehler vorzunehmen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Netzwerkes mit linearer Busstruktur und einer zentralen Diagnoseeinrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Master-/Slave- Netzwerksystems mit aktiver Ankopplung der Teilnehmereinrichtungen,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Bandbreite einer nicht lokalisierbaren Störung,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines verteilten Netzwerksystems mit dedizierten Fehlerdetektoren gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung des Protokollaufbaus eines dezentralen Teilnehmers nach dem ISO/OSI- Referenzmodell und

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines Protokollstapels,

Fig. 7 eine schematische Darstellung wie Ereignisse mit niedriger Priorität in zyklischer Reihenfolge abgearbeitet werden.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Prinzip erläutert, das die oben erwähnten Nachteile bekannter Verfahren und Anordnungen zur Fehlerdiagnose in verteilten Netzen vermeidet.

Es liegt diesem Prinzip zugrunde, daß die Fehler oder Störungen nicht mehr durch eine zentrale Diagnoseeinrichtung erfaßt werden, wie es bei den oben beschrieben bekannten Einrichtungen und Verfahren der Fall ist, sondern dezentral an jedem Teilnehmer in diesem Netzwerk.

Durch die dadurch möglich gewordene gleichzeitige Speicherung der Fehler in allen Teilnehmereinrichtungen entfällt die Totzone, in der Fehler nicht erfaßt werden konnten.

Um dieses zu realisieren, werden, wie Fig. 4 zeigt, in jeder Teilnehmereinrichtung und der Mastereinrichtung Fehlerdetektoren FD vorgesehen, die dezentral Fehlerprüfungen auf den unterschiedlichen Protokollebenen, typischerweise auf der Schicht-1 und Schicht-2 von insgesamt sieben Protokollschichten des verwendeten Übertragungsverfahrens vornehmen.

Hierzu zeigt Fig. 6 einen Ausschnitt aus dem Protokollstapel eines Feldbusprotokolls. Der Zeichenumsetzer 5 übernimmt hierbei die Aufgaben der MDS (Medium Dependent Sublayer) 11 sowie optional die Aufgaben der MAU (Medium Attachment Unit) 12.

Mau 12 und MDS 11 bilden zusammen die physikalische Schicht, die, wie oben schon erwähnt wurde, auch Schicht-1 genannt wird. Oberhalb der der MDS 11 beginnt die Sicherungsschicht (Data-bink Layer) DLL, auch Schicht-2 genannt, mit ihrer Subkomponente MAC (Medium Access Control) 10. Die Schicht-1 und die Schicht-2 tauschen in der Regel zeichenorientierte physikalische Protokolldateneinheiten (PhPPDU) aus. Diese Schnittstelle ist in der vorliegenden Erfindung physikalisch ausgeprägt und stellt die serielle Schnittstelle 2 in Fig. 1 dar. Ist der Informationsgehalt der PhPDU der seriellen Schnittstelle 2 kleiner als der der MDS 11 des verwendeten Feldprotokolls, so sind entsprechende einleitende Steuer-Protokolleinheiten PDU zu definieren, die eine zusammengehörende Folge von PhPDU's klassifizieren.

Vorzugsweise werden die oben erwähnten Fehlerdetektoren FD direkt in die für ein Übertragungsprotokoll zur Verfügung stehenden Schaltkreise integriert. Erkannte Fehlerzustände auf dem Übertragungsmedium oder in einer Protokollschicht werden von entsprechenden Detektoren an den Empfangsschaltungen der Teilnehmer erfaßt und gespeichert. Hat ein Netzwerkteilnehmer mehrere Empfangsschaltungen, dann hat er auch entsprechend mehr Detektoren. Das ist z. B. dann der Fall, wenn eine Vollduplex-Übertragung zwischen zwei benachbarten Teilnehmern realisiert wird.

Fig. 5 zeigt nun einen typischen Protokollaufbau eines Netzwerkteilnehmers, wobei hier nur die interessierenden Schichten, nämlich die physikalische Schicht (Physical Layer) PL, d. h. die Schicht-1, und die Sicherungsschicht (Data-Link-Layer) DLL, d. h. die Schicht- 2, dargestellt sind. Es ist zu sehen, daß an den entsprechenden Protokollschichten, der MAC-US (Medium Access Control)-Unterschicht von DLL und an der MDS (Medium Dependent Sublayer)-Schicht von PL, die auch noch zwischen MAC-US und MDS über eine weitere Unterschicht MIS-US (Medium Independent Sublayer) verfügt, Fehlerdetektoren FD angeordnet sind. Schließlich stellt die Einheit MAU (Medium Attachment Unit) eine bidirektionale Verbindung von MDS mit dem Übertragungsnetz ÜN her.

Schicht-1 und Schicht-2 sind die wesentlichen Träger der Hardware der Einrichtung nach Fig. 5 und sie können somit auch mit Hardware-Fehlerprüfschaltungen geprüft werden, die tief in der Logikstruktur an "neuralgischen", d. h. fehlerrelevanten Punkten angeordnet sind.

Während die wesentlichen Aufgaben der Schicht-1 die Festlegungen der Definitionen für die Übertragung (Medium, Baudrate, Spannungsversorgung und dergleichen), das Übertragungsverfahren und Vorgaben, wie Pin-Belegungen und Anschlüsse sind, definieren sie auch die Signalpegel für die Kodierung einzelner Bits.

Die Schicht-2, die Sicherungsschicht beschreibt das Buszugriffsverfahren, sowie die Datensicherung. Brücken und normale Schalter arbeiten ebenfalls auf dieser Protokollschicht.

Übertragungssysteme besitzen heute meist einen Übertragungskanal für Netzmanagementsignale (Netzmanagement- Funktionen). Aus Gründen der Übertragungseffizienz sollte dieser Kanal während der Übertragung von (Nutz-)Daten wenig benutzt werden, z. B. dadurch, daß ihm die für die Übertragung von Managementsignalen zugebilligte Zeit minimiert wird. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß jedem Netzwerkteilnehmer ein fester Zeitschlitz zugeteilt wird, in welchem er seine Managementsignale übertragen kann und zwar nur in dieser Zeitscheibe. Bei längeren Signalfolgen muß dann deren Übertragung auf mehrere Zeitscheiben verteilt werden.

Da die Anzahl der hierfür benötigten Datenbreiten für eine differenzierte Fehlermeldung die üblichen Kapazitäten eines Managementkanals überschreitet, wird ein als Informationssammler und -Verteiler arbeitender Diagnose- und Report-Manager (DRM) vorgesehen, der seine Aufgabe dadurch löst, daß er aus den vorliegenden Informationen der Fehlerdetektoren FD (meist nur ein Fehlerbit je Fehlerdetektor) ein Fehlerbild kodiert. Dieses Fehlerbild eines Netzwerkteilnehmers wird dann (beispielsweise in seiner ihm zugeteilten Zeitscheibe) über das Übertragungsnetz ÜN an eine andere Netzwerkzentrale, z. B. einen Master übertragen.

Das Besondere an dem Diagnose-und Reportmanager DRM besteht nun darin, daß beispielsweise der Master (Busmaster) die Diagnoseinformation, beispielsweise das Fehlerbild, des dezentralen Netzwerkteilnehmers nicht mehr adressieren und abfragen muß, sondern daß nun der dezentrale, beim Netzwerkteilnehmer vorhandene DRM das zu meldende Fehlerbild und/oder eine Statusinformation in Form eines Ereignisses E, z. B. ein Zustand einer zu überwachenden Funktion seines Teilnehmers, voradressiert, so daß automatisch die aktuellste Fehlerinformation übertragen wird.

Wie Fig. 5 zeigt, wird vom DRM die Adresse (ID-ADR), eine Identifizierung ID erzeugt und zu einem ID-Sende- Empfangspufferspeicher FDSP übertragen, von dem dann in seiner Zeitscheibe die ID und auch die Fehlerbilder zu dem Master (nicht dargestellt) über ÜN übertragen werden. Damit die stets aktuellste Fehlerinformation übertragen wird, erfolgt der Pufferbetrieb nach dem bekannten LIFO-Prinzip (LIFO = last in/first out). Die Nutzdaten werden über einen Data genannten Daten-Sende-Empfangspufferspeicher DSEP auf das ÜN übertragen. Die Adresse ID kann parallel zu den Daten oder als Vorläufer (Header) seriell mit den Daten übertragen werden.

Neben den Fehlereinflüssen, die im allgemeinen zu Übertragungsfehlern führen, gibt es in solchen Netzwerken auch noch andere Informationen, die zwar zu keinen Übertragungsstörungen führen, die aber dennoch parallel zur Nutzdatenübertragung gemeldet werden müssen. Zu diesen Informationen gehören Meldungen über interne Zustände der einzelnen Netzwerkteilnehmer, sog. Statusinformationen.

Daraus leitet sich eine weitere Besonderheit her, da der DRM in der Lage sein soll, zwischen Informationen mit hoher Priorität und solchen mit niedriger Priorität unterscheiden zu können. Informationen mit hoher Priorität sind die oben beschriebenen Einflüsse, die zu Übertragungsfehlern führen, während Informationen mit niedriger Priorität sich z. B. auf periphere Meldungen beziehen, wie Ausfall einer Peripheriespannung, Ablauf eines Überwachungs-Timers (Watchdog), Ausfall eines externen Prozessors (CPU), Abfall der Übertragungsqualität (MAU Warnung) und dergleichen. Mau (Medium Attachment Unit) ist eine Komponente der physikalischen Schicht (Physical Layer) PL, welche die physikalische Kopplung zwischen Medium und Protokollstapel herstellt.

Um dieses Prioritätsschema zu realisieren, erhalten alle Informationen niedriger Priorität, welche die vorstehend genannten Ereignisse E repräsentieren, die gleiche Priorität.

Um zu verhindern, daß eine große Zahl an Ereignissen einer Meldung die Übertragung anderer Meldungen blockiert, wird, wie Fig. 7 zeigt, nach jeder erfolgten Meldung eines Ereignisses E_i im Sinne einer Uhr die nächste Meldung abgefragt. Damit wird eine Übertragung aller Ereignisse E1, . . ., EN garantiert.

Dieser Ablauf der Übertragung von Informationen mit niedriger Priorität wird durch das Auftreten eines Ereignisses mit hoher Priorität nach Art einer Interrupt- Verarbeitung unterbrochen, bei welcher nach vollendeter Übertragung der Meldung des Ereignisses mit hoher Priorität, das zu fehlerhafter Übertragung führen kann, das Ablaufschema nach Fig. 7 an der unterbrochenen Stelle fortgesetzt wird.

Die Übertragungen der Fehler- und Statusmeldungen (Ereignismeldungen) sollte die Nutzdatenübertragung möglichst wenig beeinflussen. Bekannte Übertragungssysteme, wie z. B. Interbus, erlauben auf Grund ihres zyklischen Betriebs die Möglichkeit auf jedem Netzwerkteilnehmer einen Mechanismus zu installieren, der die Übertragung von obigen Ereignissen nur in einem bestimmten Raster von n-gültigen Nutzdatenübertragungen zuläßt (z. B. n=16). Das bedeutet, daß die Übertragung sowohl der asynchronen Fehlermeldungen eines Netzwerkteilnehmers, als auch aller anderen Netzwerkteilnehmer auf ein festgelegtes Raster von n Übertragungszyklen synchronisiert werden. Dadurch wird die zur Verfügung stehende Bandbreite des Übertragungsnetzes optimal für diese Ereignisse genutzt. Ferner kann durch Anpassung des Rasters die Determinierbarkeit der Nutzdatenübertragungen gewahrt bleiben.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Selbstdiagnose von im wesentlichen sporadischen Fehlern in einem seriellen Netzwerk, das eine Anzahl von Teilnehmern miteinander und mit einer zentralen Diagnoseeinrichtung verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß dezentral bei jedem Teilnehmer (Tln1. . .Tlnn; Fig. 5) an bestimmten, fehlerrelevanten Stellen in seinem Protokollstapel Fehlerdetektoren (FD) angeordnet sind, die ihre Prüfergebnisse zu einem Diagnose- und Reportmanager (DRM) übertragen, der aus den einzelnen Prüfergebnissen aller Fehlerdetektoren ein Fehlerbild erzeugt, das er für ihre Übertragung voradressiert, indem er für jedes zu einer zentralen Diagnoseeinrichtung (DE) zwecks dortiger Auswertung zu übertragende Fehlerbild eine Adresse (ID- ADR) generiert, mittels welcher er einen ID-Sende- Empfangspufferspeicher (FDSEP) ansteuert, in welchem er die den Adressen zugeordneten Fehlerbilder zwischengespeichert und zeitversetzt für ihre Übertragung zur zentralen Diagnoseeinrichtung über das Übertragungsnetz (ÜN) wieder ausliest.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung einer möglichst großen Nutzdatenübertragung jedem Teilnehmer (Tln1,. . .,Tlnn) ein eigener Zeitschlitz zugeteilt ist, in welchem er seine Fehlerbilder zur zentralen Diagnoseeinrichtung (DE) überträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilnehmern (Tln1,. . .,Tlnn) und der zentralen Diagnoseeinheit (DE) Information übertragen wird, die sowohl Fehlerbilder, als auch Statusinformation zur Ausübung von Sytemmanagement-Funktionen umfaßt, wobei der Fehlerbildinformation höhere Priorität für deren Übertragung zur zentralen Diagnoseeinrichtung (DE), als der Statusinformation für deren Übertragung vom Diagnose- und Reportmanager (DRM) zugeteilt sind.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den verschiedenen Statusinformationen (E1,. . .,En; Fig. 6) stets die gleiche niedrige Priorität zugeteilt ist, wobei die zur Übertragung anstehenden Statusinformationen in zyklischer Reihenfolge (z. B. E1, E2, E3,. . .,En) nacheinander übertragen werden.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung im Übertragungssystem vorgesehen ist, welche die asynchron entstehenden Statusinformationen der verschiedenen Teilnehmer (Tln1,. . .,Tlnn) in einem bestimmten Raster von n-gültigen Nutzdatenübertragungen zuläßt, so daß alle Statusinformationen aller Teilnehmer auf ein festgelegtes Übertragungsraster synchronisiert sind.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerdetektoren (FD) vorzugsweise in der physikalischen Schicht (PL) und der Verbindungsschicht (DLL) eines ISO/OSI-Referenzmodells für standardisierte Übertragung auf verteilten Netzwerken (ÜN) vorgesehen sind.