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CN100574241C - 具有冗余特性的局域网及用于这种网络的耦合设备 - Google Patents

具有冗余特性的局域网及用于这种网络的耦合设备 Download PDF

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CN100574241C CNB038044242A CN03804424A CN100574241C CN 100574241 C CN100574241 C CN 100574241C CN B038044242 A CNB038044242 A CN B038044242A CN 03804424 A CN03804424 A CN 03804424A CN 100574241 C CN100574241 C CN 100574241C
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Abstract

本发明涉及具冗余特性的局域网，特别是以太网，其中耦合设备(K1，K2，K3)和冗余管理器(RM)相互接成环形拓扑结构。冗余管理器(RM)如在预定的时间间隔中分别在另一端口(P42，P41)上接收到其从一端口发出(P41，P42)的第一测试电报(T11，T12)则断开环以建立线形拓扑结构，否则接通连接。将至少一个耦合设备(K3)作为冗余管理器观察器，以对在其与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)接收的电报进行分析，如在该端口(P32)不仅接收到第一测试电报(T11)且在接收到的第一测试电报(T11)中示出冗余管理器(RM)“环断开”状态，则断开环以建立线形拓扑结构。由此避免电报在环中兜圈子。

Description

具有冗余特性的局域网及用于这种网络的耦合设备
技术领域
本发明涉及一种具有冗余特性的局域网(尤其是以太网)以及一种用于这种网络的耦合设备。
背景技术
在WO 99/46908中公开了一种具有冗余特性的局域以太网。在其中描述的网络中，实现了分别具有至少两个端口并作为2层部件(Layer-2-Komponenten)的耦合设备和冗余管理器，它们分别通过相邻设备的两个端口的连接相互接成环形拓扑结构。其中，“2层部件”的含义是，在设备中至少实现了ISO-OSI-7-层模型的层1和层2。由此，设备进行地址计算和报文转发(Telegrammweglenkung)。在正常运行中，即在网络中没有故障出现，该环通过冗余管理器分离。这意味着，冗余管理器在其一个位于环上的端口接收的电报，不是通过另一个位于环上的端口转发而是被阻塞。这种状态通过一个打开的开关表示。因此，从逻辑的角度这表示为一个具有线形拓扑结构的网络，其中，网络的两个线的端点连接在冗余管理器上，而冗余管理器在没有故障的情况下将这两个线的端点断开。在有故障的情况下，即在冗余管理器之外的网络任何位置上形成中断，则冗余管理器将这两个线的端点连接，从而再次形成线形拓扑结构。
不过，从物理上看在此涉及一个环形网络拓扑结构，其中，设备分别通过相邻设备的两个端口相互连接构成一个环。在此，冗余管理器保证在任何时刻都仅在一个位置上中断。为了检验是否在冗余管理器之外已经在环中出现了中断，即检验网络是否是无故障地工作，冗余管理器按照预定的时间间隔通过其用来连接成环的两个端口将测试电报送入该环，并且如果在另一个预定的时间间隔中分别在另一个端口上接收到测试电报则断开该环，以便建立一个按传送逻辑来看是线形的拓扑结构。否则的话，即如果在另一个预定的时间间隔中至少在一个端口上没有接收到测试电报，则冗余管理器接通连接，以便使网络再次由相互连接的线构成逻辑上线形的拓扑结构。关于这种局域网和冗余管理器的其它结构和优点，可以参考本文开始提到的WO 99/46908。
在其中电报从节点到节点分布以及在其中对两个节点之间的通信段的故障以接通一个冗余的通信路径作出反应的网络具有这样的危险，即，消息多次发出或者在网络中兜圈子。这种错误情况可以是通过错误地接通冗余通信路径而引起的。由于公知冗余管理器的功能错误可以导致两个线被无意地接通，由此从逻辑的角度也形成了网络的环形拓扑结构。这可以导致电报在环中兜圈子。在最坏的情况下可供数据流量使用的网络的带宽被占用，使得在网络上连接的用户之间不能再传送有用数据流量。因此，在出现这种错误时对于连接的用户来说网络不可以使用或者只能以很小的规模使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有冗余特性的局域网，特别是以太网，其特性在于进一步提高了对于其上连接的用户传送有效数据的网络可用性。此外，还提供一种可以用来在网络中解决该技术问题的耦合设备。
为了解决该技术问题，本发明提供了一种具有冗余特性的局域网，其中具有至少各有两个端口的耦合设备和冗余管理器，它们作为2层部件实现并且分别通过相邻设备的两个端口的连接相互接成环形拓扑结构，其中，所述冗余管理器设计用来，按照预定的时间间隔通过其用来接入到环中的两个端口将第一测试电报送入该环，并且如果在一个预定的时间间隔中分别在另一个端口上接收到该第一测试电报则断开该环以建立线形拓扑结构，否则将接通连接，其特征在于，所述冗余管理器设计用来，在所述第一测试电报中分别显示状态“环断开”或者“连接接通”；以及将至少一个在环中与该冗余管理器相邻的耦合设备构成为所谓的冗余管理器观察器，用来对在其与冗余管理器相连的端口接收的电报进行分析，如果在该端口上不仅接收到了第一测试电报并且在最后接收到的第一测试电报中显示了冗余管理器的“环断开”状态，则断开该环以建立线形拓扑结构。
本发明还提供了一种用于上述的局域网的耦合设备，其特征在于，该耦合设备在与所述冗余管理器相邻的结构中被设计成为所谓的冗余管理器观察器，用来对在其与冗余管理器相连的端口接收的电报进行分析，如果在该端口上不仅接收到了第一测试电报并且在最后接收到的第一测试电报中显示了冗余管理器的“环断开”状态，则断开该环以建立线形拓扑结构。
本发明具有这样的优点，即独立于冗余管理器而监视其功能的正确性。因此，该监视不会由于冗余管理器的内部故障而受干扰或者无法进行。通过该冗余管理器的无意的接通可由所谓的冗余管理器观察器快速识别。在没有较大延迟的情况下通过断开环消除了出现的故障。由此提高了局域网的可用性。此外，识别出了在投入运行期间的故障，例如冗余管理器的错误设计。
通过冗余管理器观察器提示这种错误具有这样的优点，即可以采用适当的措施消除故障，例如替换或者修理冗余管理器。
该监视原则在不用附加测试电报对网络产生负担的条件下优选地进行。冗余管理器在第一测试电报中分别显示状态“环断开”或者“连接接通”。如果在冗余管理器所连接的端口上收到的不仅是第一测试电报，并且如果在最后收到的第一测试电报中显示了冗余管理器的“环断开”状态，则一个在环中与冗余管理器相邻的耦合设备断开该环。
该监视原则可以按优选的方式通过由冗余管理器观察器利用合适的第二测试电报对冗余管理器的监视进行补充，以便进一步减小网络出现故障的可能性。
在正常情况下，即没有故障的运行中，冗余管理器观察器将冗余管理器的第一测试电报透明地转发，而将由冗余管理器观察器送入到环中的第二测试电报在接收时取出，即不再转发。如果冗余管理器接通了连接，则以对应的方式，通过冗余管理器将第二测试电报透明地转发。不过，如果冗余管理器将环断开的话，则通过冗余管理器阻塞第二测试电报，即不传递。将第二测试电报不同于第一测试电报地实施具有这样的优点，即可以在识别各电报类型之后就可以对应地执行冗余管理器和冗余管理器观察器的这些功能。由此，不需要费事地确定在冗余管理器和冗余管理器观察器之间第一和第二测试电报的发送时刻的差别以及代替根据电报本身的电报类型的差别而确定根据测试电报的时间位置的差别。
如果所有在环形拓扑结构中相互连接的耦合设备作为冗余管理器观察器构成，则按照优选的方式进一步减小了出现故障的可能性。由此，通过其它冗余管理器观察器保证了一个冗余管理器观察器的监测功能。在此，冗余管理器观察器可以相互借助于一个协议调整，以便确定有效的网络拓扑结构。不过，在最简单的情况下在冗余管理器观察器之间交换同步电报就已经足够了。
附图说明
下面对照附图所示的实施方式对本发明以及其结构和优点作进一步的说明。
图1示出本发明的一种实施方式。
具体实施方式
在图1所示的网络中四个耦合设备K1，K2，K3和RM相互连接，其中耦合设备RM作为冗余管理器运行。这些耦合设备分别具有四个端口P11...P14，P21...P24，P31...P34以及P41...P44，在这些端口上可以连接用于发送和接收电报的连接导线。耦合设备K1至K3以及RM是作为2层部件工作的，即，它们对应于一个内部存放的地址表进行报文转发。它们通过相邻设备的两个端口的连接相互接成环形拓扑结构。为此，端口P12和P21通过玻璃纤维电缆线F12和F21相互连接。为此自然也可以使用铜电缆。线F12用于从耦合设备K1的端口P12向耦合设备K2的端口P21传送电报。以相反的方向，电报通过线F21从耦合设备K2的端口P21传送到耦合设备K1的端口P12。按照这样的方式可以进行所谓的全双工传送，其中电报可以同时在两个方向上传送。按照对应的方式端口P22和P31通过线F23和F32、端口P32和P41通过线F34和F43以及端口P42和P11通过线F41和F14相互连接。在耦合设备K1的端口P13连接了用户TN1、在耦合设备K2的端口P23连接了用户TN2、在耦合设备K2的端口P24连接了用户TN3、在耦合设备K3的端口P34连接了用户TN4而在耦合设备RM的端口P44连接了用户TN5。这些用户可以例如是自动化设备、操作和监视站、服务器、打印机、其它网络段等。
无故障运行的网络从逻辑角度看为一个具有线形拓扑结构的局域网，因为环在作为冗余管理器运行的耦合设备RM处断开。该断开是通过一个开关S4表示的。对应地，在耦合设备K1，K2以及K3中的开关S1，S2和S3是接通的。例如，耦合设备K1的开关S1接通表示通过该耦合设备K1在线中待通行的电报从例如接收端口P11透明地接通到例如发送端口P12。在相反的方向上也是同样的情况。在有故障的情况下，即，如果在示出的线中形成中断，则冗余管理器将两个线的端点相互连接，即，如果消息接通但没有到达用户TN5的话，冗余管理器将在端口P41上接收的消息通过端口P42转发以及反向传递。这对应于在接通位置上的开关S4。为了监视线的无中断，冗余管理器RM在第一预定的时间间隔中通过两个其接通环的端口P41以及P42向环中发送第一测试电报T11和T12。如果在第二预定时间间隔内该第一测试电报T11和T12分别在另一个端口P42以及P41上被接收，则没有线的中断，并将环断开以便建立或者(根据不同的在前状态)保持线形拓扑结构，即开关S4被断开或者保持断开。如果在第二预定时间间隔内该第一测试电报T11和T12没有分别在另一个端口P42以及P41上被接收，则出现了故障情况并且线是中断的。由此识别了故障并接通开关S4，以便再次建立可以工作的线并继续保证通信。在预先给出第一和第二时间间隔时考虑电报在网络中最大的循环时间以及最大允许的重建时间。因为网络的这种重建在适当选择时间间隔时相对实现得快，保证了连接用户的逻辑通信连接不消失，而通信在没有干扰的情况下继续进行，以及利用该网络实现的自动化方案保持不受影响。
如果冗余管理器RM由于内部故障在环的其它部分没有中断的情况下也将开关S4接通，则可以形成电报在环中兜圈子的情况。例如，尽管在环的其它部分没有出现中断，而冗余管理器RM的软件由于软件或者逻辑错误将电报错误地接通则是这样的情况。因此，这种错误可以影响网络的可用性。为了避免这一点例如将耦合设备K3作为所谓的冗余管理器观察器运行。按照类似的方式也可以将所有的耦合设备，在示出的实施方式中即将耦合设备K1和K2同样运行。不过，为了理解本发明根据耦合设备K3的描述就足够了。该耦合设备为了监视冗余管理器RM同样在第三预定的时间间隔中通过端口P31和P32向环中发送第二测试电报T21和T22。如果在第四预定时间间隔内这两个第二测试电报T21和T22没有分别到达耦合设备K3的另一个端口P32以及P31上，则在环的其它部分出现了中断。开关S3保持接通。如果冗余管理器RM错误地将环接通，则第二测试电报T21和T22到达端口P32以及P31上。由此识别出环的短路。在这种情况下，耦合设备K3断开开关S3，由此按逻辑的观点再次共同形成一个线形的网络拓扑结构。第三和第四时间间隔的确定可以类似于第一和第二时间间隔的选择进行。在一个短的重建时间之后网络由此再次可供运行。如上面已经提到的，也可以按类似的方式使耦合设备K1和K2实现冗余管理器观察器的功能。这具有也可以识别耦合设备K3的故障的优点。通过耦合设备K3识别出的冗余管理器RM的故障通过一个发光二极管LED指示出。由此，可以采取适当的消除故障的措施。另一种指示故障的可能是例如向中心网络管理站发送一个故障提示电报。
通过由一个冗余管理器观察器对冗余管理器的监视也可以识别这样的故障，即尽管冗余管理器RM的识别了环的其余部分的没有故障的运行，但冗余管理器RM的硬件的行为有故障并将开关S4错误地接通。如果对于这种错误在冗余管理器RM本身中没有明确地指示，则不能确定该故障。这种故障很难完全避免，因为在冗余管理器RM的在这里简化表示为开关S4的复杂硬件电路部件中单个的比特错误就可能导致这种故障。这种故障的迅速识别利用下列监视类型实现。其中的前提是，冗余管理器RM在测试电报T11和T12中指示各种状态，例如“环断开”或者“连接接通”。作为冗余管理器观察器的耦合设备K3对在其直接与冗余管理器RM连接的端口P32上到达的电报进行分析。如果在测试电报T11中出现“环断开”而如果还在端口P32上接收到不是测试电报T11的其它电报，则冗余管理器RM出现了功能故障。如果这两个条件都得到满足，则耦合设备K3断开其开关S3并利用其发光二极管LED指示出冗余管理器RM的故障。如果这两个条件之一不能得到满足，则耦合设备K3重新接通其开关S3。由此，在不用冗余管理器观察器的附加测试电报对网络产生负担的条件下，可以监视冗余管理器RM的功能。此外，实现了迅速识别这种故障和迅速的网络重建。
冗余管理器观察器(耦合设备K3)通过自身发送第二测试电报T21和T22检验冗余管理器RM接通环的判断。如果它从冗余管理器RM得到这样的信息，即后者已经接通了环，而冗余管理器观察器自己又在另一个环端口(本例中端口P32)上收到其在一个端口(例如端口P31)上发送的第二测试电报，则冗余管理器观察器得出结论，冗余管理器不应该地接通了开关S4。作为对此的反应冗余管理器观察器(耦合设备K3)利用其开关S3将该环断开并提示冗余管理器的错误行为。

Claims (8)

1.一种具有冗余特性的局域网，其中具有至少各有两个端口(P11，P12，P21，P22，P31，P32，P41，P42)的耦合设备(K1，K2，K3)和冗余管理器(RM)，它们作为2层部件实现，即它们在设备中至少实现了ISO-OSI-7-层模型的层1和层2，并且分别通过相邻设备的两个端口的连接相互接成环形拓扑结构，其中，所述冗余管理器(RM)设计用来，按照预定的时间间隔通过其用来接入到环中的两个端口(P41，P42)将第一测试电报(T11，T12)送入该环，并且如果在一个预定的时间间隔中分别在所述冗余管理器(RM)接入到环中的两个端口(P41，P42)中的另一个端口(P42，P41)上接收到该第一测试电报(T11，T12)则断开该环以建立线形拓扑结构，否则将接通连接，其特征在于，所述冗余管理器(RM)设计用来，在所述第一测试电报(T11，T12)中分别显示状态“环断开”或者“连接接通”；以及将至少一个在环中与该冗余管理器相邻的耦合设备(K3)构成为所谓的冗余管理器观察器，用来对在其与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)接收的电报进行分析，如果在所述测试电报(T11)中出现“环断开”且在冗余管理器观察器与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)上接收到不是所述测试电报(T11)的其它电报，则断开该环以建立线形拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的局域网，其特征在于，具有冗余特性的局域网是以太网。
3.根据权利要求1所述的局域网，其特征在于，所述冗余管理器观察器还设计用来，如果在所述测试电报(T11)中出现“环断开”且在冗余管理器观察器与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)上接收到不是所述测试电报(T11)的其它电报，指示故障。
4.根据权利要求1或3所述的局域网，其特征在于，至少一个耦合设备(K1，K2，K3)被设计用来，为了监视所述冗余管理器(RM)，同样按照预定的时间间隔通过其用来接入到环中的两个端口(P31，P32)将第二测试电报(T21，T22)送入该环，并且如果在一个预定的时间间隔中分别在所述至少一个耦合设备接入到环中的两个端口(P31，P32)中的另一个端口(P32，P31)上接收到该第二测试电报(T21，T22)则断开该环以建立线形拓扑结构，否则将接通该端口(P31，P32)之间的连接。
5.根据权利要求4所述的局域网，其特征在于，所述耦合设备(K1，K2，K3)被设计用来，在接收到其本身发送的第二测试电报的情况下指示冗余管理器(RM)的故障。
6.根据权利要求4所述的局域网，其特征在于，所述第二测试电报(T21，T22)不同于所述第一测试电报(T11，T12)。
7.根据权利要求5所述的局域网，其特征在于，所述第二测试电报(T21，T22)不同于所述第一测试电报(T11，T12)。
8.一种用于根据权利要求1所述的局域网的耦合设备，其特征在于，该耦合设备在与所述冗余管理器(RM)相邻的结构中被设计成为所谓的冗余管理器观察器，用来对在其与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)接收的电报进行分析，如果在所述测试电报(T11)中出现“环断开”且在冗余管理器观察器与冗余管理器(RM)相连的端口(P32)上接收到不是所述测试电报(T11)的其它电报，则断开该环以建立线形拓扑结构。
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