通信網絡和耦合裝置的製作方法

2023-05-17 19:11:16 2

專利名稱：通信網絡和耦合裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉 及一種具有第一和第二子網絡的通信網絡。在第一子網絡中，第一數目的耦合元件經由相應的耦合埠以物理方式彼此連接。第一數目的耦合元件構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。與之類似的是在第二子網絡中，第二數目的耦合元件經由相應的耦合埠以物理方式彼此連接，其中第二數目的耦合元件構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。
背景技術：
為了能夠在通信網絡中保證高的可用性，以冗餘方式設計該通信網絡。在基於乙太網的通信網絡中，耦合元件(所謂的交換機)在此以合適的拓撲以物理方式彼此連接。作為用於數據通信的協議可以使用媒體冗餘協議(Media Redundancy Protocol (MRP))或快速生長樹協議(Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP))。MRP和RSTP使一個耦合元件的故障或者兩個耦合元件之間的線路中斷能夠得到補償。冗餘方法基於的原理是，當建立的通信路徑故障或中斷時，通信通過稱為冗餘路徑的替選通信路徑來繼續。在用於控制高度可用的工業或自動化設備的通信網絡中存在如下要求，即也將多個、分別就其而言冗餘的子網絡彼此連接和特別是還以冗餘方式彼此連接。通常，子網絡構成用於在環形拓撲中提供冗餘度，其中每個環形對通過兩條線路彼此連接。子網絡的耦合藉助所謂的待機耦合來進行。在此符合邏輯地，兩條線路之一是活動的，而兩條線路中的另一條出於冗餘目的而設置。符合邏輯地，只有當第一線路出現問題的時候，第二線路才接通。然而，至今該待機耦合還未能結合到設置在各子網絡中的冗餘機構中。

發明內容
本發明的目的是提出一種通信網絡和耦合裝置，所述耦合裝置能夠實現將多個設計為冗餘的子網絡耦合、尤其以冗餘方式耦合，以便改善通信的靈活性以及通信網絡的可用性。所述目的通過根據本發明的通信網絡和根據本發明的耦合裝置來實現。有利的擴展方案由實施例中得到。本發明實現了具有第一子網絡和第二子網絡的通信網絡。在第一子網絡中，第一數目的耦合元件經由相應的耦合埠以物理方式彼此連接。第一數目的耦合元件構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。與之對應地，在第二子網絡中，第二數目的耦合元件經由相應的耦合埠以物理方式彼此連接。第二數目的耦合元件也構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。第一或者第二子網絡的耦合元件的物理連接優選實現在環形拓撲中，以使從現有技術中已知的MRP或RSTP機構能夠用作冗餘方法。根據本發明，通信網絡還包括一個或多個用於耦合第一和第二子網絡的耦合裝置，其中耦合裝置是或包括不僅第一子網絡的耦合元件還有第二子網絡的耦合元件。本發明基於的基本思想是，每個耦合裝置同時既是第一也是第二子網絡的參與者。因此，耦合裝置構建為參與到相應的子網絡的冗餘方法中。同時，相應的耦合裝置用於兩個子網絡的數據技術連接，其中在多個耦合裝置情況下，可以動用冗餘方法的機構。因此，耦合裝置是有冗餘能力的路由器，該路由器是兩個子網絡的通信元件。在設置了至少兩個耦合裝置的情況下，冗餘方法的機構可以在由多個子網絡組成的通信網絡的所有通信連接上使用。特別是在兩個子網絡之間的通信中存在冗餘度。這樣的通信網絡能夠有利地在高度可用的工業或自動化設備中使用。如果使用僅一個根據本發明的耦合裝置，則該耦合裝置是兩個子網絡的通信元件，並且實現了兩個子網絡之間的通f目。在優選的擴展方案中，每個耦合裝置具有至少四個耦合埠，其中相應的耦合裝置藉助兩個第一耦合埠連接在第一子網絡上和藉助兩個第二耦合埠連接在第二子網絡上。因此，與相應的子網絡的連接以對於耦合元件常見的方式實現。此外提出，耦合裝置構成為參與到用於在第一或第二子網絡內部傳輸數據的冗餘 方法中。再則設置有，耦合裝置構成為參與到用於在第一和第二子網絡之間傳輸數據的冗餘方法中。此外，適宜的是耦合裝置構成為在第一和第二子網絡之間傳輸待交換的數據。數據傳輸(路由)例如能夠在IP (Internet Protocol網際網路協議)層上，就是說在通信網絡的網絡層和/或也在通信層3和/或更高的層上實現(在此，通信網絡的所提及的層例如能夠根據OSI (開放式通信系統互聯參考模型)層模型的相應的層來構成和設置)。根據另一適宜的擴展方案，耦合裝置包括用於控制在第一和第二子網絡之間的數據連接的機構。用於控制數據連接的機構例如能夠包括防火牆，所述防火牆能夠可選地以硬體或軟體實現。典型地，這樣的防火牆基於數據包過濾的原理，並且實現了子網絡之間數據傳輸的控制和過濾。優選地，用於控制數據連接的機構包括狀態相關的防火牆。所述防火牆也是作為狀態檢測防火牆已知的。通過這樣的防火牆能夠與簡單的數據包過濾器防火牆不同地顧及到子網絡之間的通信的狀態，使得只需允許潛在危險較小的通信。例如當DHCP (動態主機配置協議)電報到達狀態相關的防火牆時，通過防火牆識別出電報是否是設備從受保護的網絡向DHCP伺服器的詢問的應答。如果是，電報可以通過，否則將被阻擋。根據另一適宜的擴展方案，在通信網絡的與第一和第二子網絡之間的數據連接有關的預期工作中，使耦合裝置中的一個活動地工作，而耦合裝置中的另一個監控所述一個耦合裝置的行為並且在數據連接方面不活動地工作。由此保證了在子網絡之間僅存在一個唯一的數據連接，例如這根據數據網絡標準乙太網是必需的。特別是設置有合適的耦合裝置構成為對數據連接的狀況進行監控和/或對控制數據連接的機構的狀態進行監控。適宜的還有，當不活動的耦合裝置構成為檢測第一和第二子網絡之間的數據連接故障，以及在對故障的數據連接的最後狀況進行處理和/或對控制數據連接的機構的狀態進行處理的情況下，建立在第一和第二子網絡之間的新的數據連接。因此提供了自動作用，通過其能夠檢測將子網絡連接的數據連接的故障。通過在接收全部狀態信息的情況下立即轉換，子網絡能夠無延遲地繼續彼此通信。為了能夠保證通過不活動的耦合裝置監控活動的耦合裝置的行為，在另一優選的擴展方案中，在耦合裝置之間設有用於通過不活動的耦合裝置對活動的耦合裝置進行行為監控的直接數據連接。在同樣可考慮的、不存在直接數據連接的情況下，行為監控能夠經由可選地第一和/或第二子網絡的相應的通信路徑實現。此外，本發明實現了用於通信網絡的第一和第二子網絡的冗餘耦合的耦合裝置，該耦合裝置在通信網絡工作時不僅構成第一子網絡的耦合元件還構成第二子網絡的耦合元件，並且該耦合裝置構成為參與到用於在子網絡之一內部或在子網絡之間傳輸數據的相應的冗餘方法中。


本發明接下來藉助在圖示中示出的實施例詳細地說明。
具體實施例方式唯一的附圖示出根據本發明的通信網絡1，其例如由第一子網絡10和第二子網絡20組成。根據本發明的通信網絡能夠也由較大量子網絡組成。每個基於數據網絡標準乙太網的子網絡10,20包括例如七個耦合元件11、12、13、14、15、16、17或者21、22、23、24、25、26、27，所述耦合元件經由相應的耦合埠、所謂的Port (埠)，在其子網絡10、20的內部在環形拓撲中以物理方式彼此連接。為了簡單性，僅對於子網絡10的耦合元件11以及子網絡20的耦合元件21示出耦合埠 P。在實踐中，子網絡10、20能夠包括或多或少的耦合元件。特別是子網絡10、20也不需要包括相同數量的耦合元件。耦合元件也稱作交換機。乙太網數據網絡標準只允許在兩個任意參與者之間的唯一的、明確的數據路徑。
如果第一子網絡10的耦合元件11........17或者第二子網絡20的耦合元件21........
27如在圖I中示出那樣通過線性結構上的線路彼此連接，並且進一步地相應的子網絡的第一和最後一個耦合元件彼此連接，則形成所示出的子網絡10、20的環形結構。原則上，在環形結構中存在有在連接在不同的耦合元件上的兩個任意參與者之間的兩條線路。參與者以已知的方式連接在耦合元件的其他的、未示出的耦合埠上。未示出的參與者是計算單元、傳感器或執行器。因為在數據網絡標準乙太網中不允許兩個通信路徑，環形結構中的連接在邏輯層面上切斷。這就是說，雖然實際上存在環形結構中的布線；然而相應的子網絡在結構上來說相當於一條直線。每個耦合元件11........17以及21........27構成為參與到用於傳輸數據的冗
餘方法中。在示出的實施例中將本領域技術人員已知的媒體冗餘協議(Media RedundancyProtocol (MRP))使用為冗餘方法。MRP是用於高度可用的通信網絡的協議,例如用於重要的工業或自動化的應用。MRP的工作原理基於，對相應的子網絡10、20的環形結構中的耦合
元件11、......、17或21、......、27的單個故障或者在兩個耦合元件之間的線路的單個故
障進行補償。為此，相應的子網絡10、20的至少一個耦合元件包括冗餘管理單元，所述冗餘管理單元通過特別的測試數據包來檢驗環形結構的連續性。在此，就包括冗餘管理單元的耦合元件而言將測試數據包傳輸給相鄰耦合元件。該相鄰的耦合元件將測試數據包轉發給下一個、與其相鄰的耦合元件。最後，測試數據包又被傳輸至包括冗餘管理單元的耦合元件。冗餘管理單元自身不轉發數據包，並且由此阻止了數據包無盡地在通信環中循環。也將通信環的連續性在相反的方向上檢驗。
如果子網絡10、20之一的耦合元件11、.......17或者21、......、27之一發生故
障，則在包含冗餘管理單元的耦合元件的一個耦合埠上發出的測試數據包並不在該耦合元件的另一耦合埠處被接收。因此，冗餘管理單元從現在起將數據包沿兩個方向轉發，並且就通信環的拓撲改變對耦合元件進行告知。因此，耦合元件不再經由中斷的路徑傳輸其數據包或者電報，而是經由冗餘管理單元。因此，儘管連接發生故障，但是所有參與者能夠互相交換數據。為了在兩個子網絡10、20耦合時也能夠對在MRP中使用的冗餘機構進行利用，在所述實施例中通信網絡包括兩個耦合裝置31、32。在此，耦合裝置31、32不僅是第一子網絡10的耦合元件而且還是第二子網絡20的耦合元件，或者包括其。在圖I中實施例的示 意性描述中，耦合裝置31包括耦合元件17、27。耦合裝置32包括耦合元件15、25。耦合裝置31、32是路由器，其分別具有至少四個耦合埠。耦合元件31藉助耦合埠 101、102連接在第一子網絡10上。而耦合裝置31藉助耦合裝置的耦合埠 201、202連接在第二子網絡20上。與之對應地，耦合裝置32藉助耦合埠 103、104連接到第一子網絡10上，並且藉助耦合埠 203、204連接到第二子網絡20上。耦合裝置31、32輔助在相應的子網絡10、20的環形結構中的冗餘機構。同時，耦合裝置31、32如提到那樣是子網絡10、20的參與者、就是說耦合元件。在兩個子網絡10、20之間，耦合裝置31、32在IP層上進行路由，由此能夠實現在第一子網絡10和第二子網絡20上連接的參與者之間的直接的數據通信。耦合裝置31、32能夠可選地具有安全功能，例如防火牆，因此在子網絡10、20之間實現的數據流能夠根據預設的規則來控制。優選地,將狀態相關的防火牆(狀態檢測防火牆Stateful Inspection Firewall)用作為防火牆。通過這樣的防火牆能夠與簡單的數據包過濾器防火牆不同地顧及到子網絡10、20之間的通信狀態，使得僅需容許潛在危險較小的通信。當例如DHCP電報到達狀態相關的防火牆時，通過防火牆識別出電報是否是對設備從受保護的網絡向DHCP伺服器的詢問的應答。如果是，那麼電報能夠通過，否則其將被阻擋。而在簡單的數據包過濾器防火牆中，只要DHCP詢問將是可能的，則必須無論如何都釋放DHCP通信。這與較小的安全性聯繫在一起。兩個耦合裝置31、32中的一個在通信網絡I的工作中在第一和第二子網絡的數據連接方面活動地工作。該耦合裝置稱作活動的耦合裝置。兩個耦合裝置31、32中的另一個與之相反只監控活動的耦合裝置的行為。該稱作不活動的耦合裝置的耦合裝置在子網絡
10、20之間的數據連接方面以待機模式工作。為了監控活動的耦合裝置在子網絡10、20之間的數據連接方面的行為，如在圖I中示出的，直接的通信連接33設置在兩個耦合裝置31、32之間。第一和第二子網絡10、20之間的數據連接提供於剛好活動的耦合裝置內部，並且因此在附圖中不是清楚可見的。代替經由直接的數據連接33，活動的耦合裝置的行為監控也能夠經由兩個子網絡
10、20之一的通信結構實現。例如，這樣的通信結構能夠從耦合裝置31經由耦合元件16或經由耦合元件11、12、13、14至耦合裝置32來建立。可替代地，通信也能夠經由第二子網絡的組件實現。在這種情況下，通信例如能夠經由耦合元件26或經由耦合元件21、22、23、24實現。在監控活動的耦合裝置的行為的範圍內，特別是監控在第一和第二子網絡10、20之間存在的數據連接的狀況以及可選地監控狀態相關的防火牆的狀態(State (狀態))。狀況以及防火牆狀態的監控優選地實現為連續的，其中數據連接的當前狀態以及防火牆狀態通過不活動的耦合裝置維持在存儲器中。如果通過不活動的耦合裝置確定活動的耦合裝置中的數據連接的故障，那麼不活動的耦合裝置承擔的責任是建立在兩個子網絡10、20之間的數據連接。在此，數據連接的繼續藉助最後存儲的狀況以及防火牆狀態實現。該方法實現了兩個分別冗餘的子網絡10、20的冗餘耦合。通過使用所描述的耦合裝置可以將MRP環形結構冗餘地並且可靠地彼此耦合。由此，已知的冗餘方法也能夠在高度可用的具有多個子網絡的工業設備或自動化系統中使 用。在本發明的可替代的、沒有示出的變型方案中，兩個子網絡10、20能夠也經由唯一的耦合裝置彼此連接。這能夠在如下情況下是有意義的，在其中子網絡之間簡單的耦合視為足夠的，例如當環與環之間沒有傳輸重要數據的時候和可以接受單點故障的時候。
權利要求
1.通信網絡，包括 -第一子網絡(10)，在所述第一子網絡中，第一數目的耦合元件(11、12、13、14、15、16、17)經由相應的耦合埠(P)以物理方式彼此連接，其中所述第一數目的耦合元件(11........17)構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中， -第二子網絡(20)，在所述第二子網絡中，第二數目的耦合元件(21、22、23、24、25、26,27)經由相應的耦合埠(P)以物理方式彼此連接，其中所述第二數目的耦合元件(21........27)構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中， -一個或多個耦合裝置(31、32)，用於耦合所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)，其中所述耦合裝置(31、32)不僅是所述第一子網絡(10)的耦合元件而且也是所述第二子網絡(20)的耦合元件。
2.根據權利要求I所述的通信網絡，其中每個所述耦合裝置(31、32)均具有至少四個耦合埠(101、102、201、202 ;103、104、203、204)，其中相應的耦合裝置(31、32)藉助兩個第一耦合埠(101、102)連接到所述第一子網絡(10)上，並且藉助兩個第二耦合埠(201,202)連接到所述第二子網絡(20)上。
3.根據權利要求I或2所述的通信網絡，其中所述耦合裝置(31、32)構成為參與到用於在所述第一子網絡或所述第二子網絡(10、20)內部傳輸數據的冗餘方法中。
4.根據前述權利要求之一所述的通信網絡，其中所述耦合裝置(31、32)構成為參與到用於在所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間傳輸數據的冗餘方法中。
5.根據前述權利要求之一所述的通信網絡，其中所述耦合裝置(31、32)構成為在所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間傳輸待交換的數據，特別是將所述待交換的數據在所述通信網絡的通信層3或在更高的、網際網路協議層和/或網絡層上傳輸。
6.根據前述權利要求之一所述的通信網絡，其中所述耦合裝置(31、32)包括用於控制所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間的數據連接的機構。
7.根據權利要求6所述的通信網絡，其中用於控制所述數據連接的所述機構包括狀態相關的防火牆。
8.根據前述權利要求之一所述的通信網絡，其中在所述通信網絡的與所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間的數據連接有關的符合規定的工作中，所述耦合裝置(31、32)中的一個活動地工作，而所述耦合裝置(31、32)中的另一個監控所述耦合裝置(31、32)中的所述一個的行為並且在數據連接方面不活動地以待機模式工作。
9.根據權利要求8所述的通信網絡，其中所述不活動的耦合裝置(31、32)構成為對所述數據連接的狀況進行監控，和/或對用於控制所述數據連接的所述機構的狀態進行監控。
10.根據權利要求8或9所述的通信網絡，其中所述不活動的耦合裝置(31、32)構成為檢測所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間的所述數據連接的故障，並且在對故障的所述數據連接的最後狀況進行處理和/或對用於控制所述數據連接的所述機構的狀態進行監控的情況下建立在所述第一子網絡和所述第二子網絡(10、20)之間的新的數據連接。
11.根據權利要求8至10之一所述的通信網絡，其中在所述耦合裝置(31、32)之間設有用於通過所述不活動的耦合裝置(31、32 )來對所述活動的耦合裝置(31、32 )進行行為監控的直接數據連接。
12.耦合裝置(31、32)，用於對通信網絡(I)的第一子網絡和第二子網絡(10、20)進行冗餘耦合，所述耦合裝置在所述通信網絡的工作中不僅構成為所述第一子網絡(10)的耦合元件，而且還構成所述第二子網絡(20)的耦合元件，並且所述耦合裝置構成為參與到這些子網絡(10、20)的相應的冗餘方法中，所述冗餘方法用於在這些子網絡(10、20)之一的內部或在這些子網絡(10、20)之間傳輸數據。
全文摘要
本發明描述了一種通信網絡，其包括第一子網絡，在該第一子網絡中，第一數目的耦合元件經由相應的耦合埠以物理方式彼此連接。根據本發明，第一數目的耦合元件構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。此外，設置有第二子網絡，在該第二子網絡中，第二數目的耦合元件經由相應的耦合埠(P)以物理方式彼此連接，其中第二數目的耦合元件構成為參與到用於傳輸數據的冗餘方法中。根據本發明的通信網絡包括一個或多個耦合裝置用於耦合第一和第二子網絡，其中耦合裝置不僅是第一子網絡的耦合元件而且也是第二子網絡的耦合元件。
文檔編號H04L29/06GK102801608SQ201210167918
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者弗朗茨·凱歐賓格 申請人:西門子公司