CN1561608A

CN1561608A - 用于运行耦合节点的方法和设备

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Publication number: CN1561608A
Application number: CN02819033.5A
Authority: CN
Inventors: 约翰·阿诺德; 迪特尔·克洛茨; 克里斯托夫·明奇; 于尔根·希梅尔
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: CA2461495A1; CN1561608B; US20040233919A1; EP1430647B1; WO2003028290A3; DE50207215D1; ATE330394T1; ES2266578T3; WO2003028290A2; EP1430647A2

Abstract

本发明涉及一种数据网络中的耦合节点(100)和运行耦合节点(100)的方法，具有以下步骤：在所述耦合节点(100)的第一端口(102)接收数据电报(118)；检查(112)该数据电报(118)是否是广播数据电报，对于不是广播数据电报的情况则：将该数据电报(118)的源地址发送到动态地址表(110)，对于是广播数据电报的情况则：通过所述耦合节点(100)的其它端口(104，106，108)发送该数据电报(118)。

Description

用于运行耦合节点的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于在数据网络中、尤其是实时以太网中运行耦合节点(Koppelknote)的方法，以及一种对应的计算机程序产品、一种耦合节点和一种通信系统。

背景技术

由现有技术公知不同类型的数据网络，其中数据网络部件确定通过有关数据网络部件的哪个端口发送数据电报。特别是还公知所谓可开关的数据网络，其中数据网络中两个用户之间的连接借助一个或多个点对点连接形成。

同样，由现有技术公知，借助地址表确定通过数据网络部件的哪个端口发送先前接收的数据电报。地址表中的每条表目都存储例如目标数据网络部件的局地址(所谓单点传送地址，Unicast-Adresse)或多点传送地址(Multicast-Adresse)或网络地址以及有关数据网络部件的端口号，通过该端口发送接收到的数据电报，以便转发到该数据电报的目标地址。

此外，由现有技术还公知可动态修改的和静态地址表的应用。动态地址表具有可动态修改的表目，该表目由有关数据网络部件的硬件独立管理而无需软件支持。相反，静态地址表的静态表目由每个数据网络部件的应用软件进行管理，并且不允许数据网络部件的硬件对其进行修改。

由现有技术公知，可以这样识别一个地址、例如是否是多点传送地址以及对应于该多点传送地址的信息是否存储在地址表中，即直接将有关数据电报的目标地址与存储在地址表中的所有地址进行比较。该方法耗费时间，或以可内容寻址的存储器为前提条件。

在美国专利US-A-5923660中描述了一种允许在一个地址表中同时存储首先映射地址表中同一个入口地址的地址表目。为此，在以太网控制器中利用相应的控制装置设置了一个散列信息地址表，所述控制装置形成数据分组地址的散列值，以便查找到进入该散列地址表的初始值。如果位于散列地址表的、通过初始值定位的行中的地址与接收的目标地址不一致，则必须将该初始值更改一个固定的跃变值。

数据网络通过联网、即各用户相互间的连接实现了多个用户之间的通信。在此，通信意味着在用户之间传送数据。其中待传送的数据作为数据电报发送，也就是说，将该数据组合为多个分组，并以该形式通过数据网络发送到对应的接收器。因此也称为数据分组。

传送数据的概念与上述传送数据电报或数据分组同义。联网本身例如在可开关的大功率数据网络、尤其是以太网中是这样解决的，即在两个用户之间分别接通至少一个与两个用户都相连的耦合单元。每个耦合单元可以与多于两个用户相连。

每个用户至少与一个耦合单元相连，但不能直接与另一个耦合单元相连。用户例如是计算机、存储器可编程控制装置(SPS)或其它与别的机器交换电子数据、尤其是处理数据的机器。与其中每个用户直接通过数据总线联系数据网络的其他每个用户的总线系统相反，在可开关的数据网络中只涉及点对点连接，也就是说，用户只能间接地、通过借助一个或多个耦合单元对传送数据的相应转发联系所有其他用户。

在分布式自动化系统中，例如在传动技术领域，必须在确定时间将确定的数据输入为此确定的用户并由接收者进行处理。在此称为实时临界数据或数据交换，因为在确定位置非实时地输入数据会导致在用户那里产生非期望的后果。根据IEC61491，EN61491 SERCOS interface-TechnischeKurzbeschreibung( http：//www.sercos.de/deutsch/index deutsch.htm)，可以保证在分布式自动化系统中进行成功的所述类型的实时临界数据交换。

由现有技术公知用于在两个或多个电子部件或设备之间进行数据交换的不同标准化的通讯系统，包括所提到的总线系统，尤其也用于自动化系统。对于这类通信系统例如是：场总线(Feldbus)、过程现场总线(Profibus)、以太网、工业以太网、火线或PC内置总线系统(PCI)。这些总线系统分别是为不同应用领域设计或优化的，允许建立分散的控制系统。对于自动化制造中的、尤其是数字传动技术中的过程控制和过程监控需要很快且可靠的、具有可预测响应时间的通信系统。

尤其是由自动化技术公知的，同步的、由脉冲控制的具有等间隔特性的通信系统。在此理解为由至少两个用户组成的系统，该用户为了相互交换数据或相互传送数据而通过数据网络相互连接。在此，在等间隔的通信周期内周期性地进行数据交换，该通信周期通过系统采用的通信脉冲预先给出。用户例如是中心自动化设备、可编程设备、可规划设备或操纵台、外围设备(例如输入/输出部件)、传动装置、放射体(Aktor)、传感器、存储器可编程控制装置(SPS)或其它控制单元、计算机或与其他机器交换电子数据、尤其是处理其他机器数据的机器。控制单元在下面应理解为各种类型的调整器或控制单元。

在通信系统中等间隔的、确定性的周期性数据交换是基于参与通信的所有部件采用相同的脉冲或时基。脉冲或时基由标记的部件(时钟发生器)传送到其他部件。在相同时间间隔的实时以太网中，脉冲或时基由一个同步控制器通过发送同步电报预先给出。

在德国专利申请DE10058524.8中公开了一种用于通过可开关的数据网络、尤其是以太网传送数据的系统和方法，以太网允许尤其是基于因特网或企业内部网络的实时临界和非实时临界数据通信的混合运行。

由现有技术还公知，可开关数据网络的部件借助动态地址表确定通过耦合节点的哪个端口发送数据电报。动态地址表分别存储网络部件的局地址和通过其向该网络用户发送数据电报的端口的信息。由于可以动态改变网络配置(例如通过激活/无效或停止或重新布线)，且基于有限的存储容量不能同时在一个地址表中存储所有的局地址，因此可以动态改变由网络部件、即例如由一个耦合节点管理的表目。

由于数据网络的部件可能例如停止或重新布线，因此具有可以将地址表目解释为无效的老化机制(Alterungsmechanismus)，如果所选择的老化方法的确定条件得到满足的话。

由现有技术公知相应的老化方法，其中在可参数化的时间间隔内必须从具有地址表中记录的局地址的有关网络部件接收数据电报，以便一直标记为有效。

图1中示出了由现有技术公知的相应的数据网络。数据网络1包括具有端口A、B、C和D的耦合节点2以及具有端口E、F、G和H的耦合节点3。耦合节点2的端口C与自动化部件4连接，端口B与另一个为清楚起见没有在图1中示出的耦合节点连接。

此外，端口D与耦合节点3的端口E连接。耦合节点3的端口F、G和H与自动化部件5、6和7连接。

每个耦合节点2和3都包含一个地址表8。地址表8的每一行都包含数据网络1的一个部件、即例如自动化部件4、5、6或7其中一个的局地址。此外，耦合节点的地址表8的有关行还包括该耦合节点的端口信息，由该端口传送从该耦合节点接收的、具有作为目标地址的局地址的数据电报。此外，地址表8的这种行还包括一个表目关于在有关行中的该表目的老化，即关于该表目的有效性。

如果例如在耦合节点2的端口A接收具有源地址和目标地址的数据电报9，则然后在地址表8的一行中创建一条表目。在此，该数据电报可以例如是以太网数据电报。

在端口A接收了具有有关源地址的数据电报的事实作为地址表一行中的表目记录到地址表8中。在地址表8的有关行中的老化位例如设置为0，以便显示该表目的现状。

每个耦合节点2和3都具有分别对地址表8全局有效的时基。该时基可以利用分别计数到一个阈值的计数器实现。

当在地址表8中产生当前表目，且计数器复位之后，将老化位例如从0设置为1。然后该表目仍然有效。如果在将老化位设置为1的时刻接收另一条数据电报9，则老化位例如重新复位为0。如果不是这种情况，则在计数器下次复位时将老化位例如设置为2，其显示该表目无效。

在此，借助程序10管理地址表8。

对于数据电报一般在以下类别间有所区别：

-单点传送电报是向一个单独的网络部件发出的，

-多点传送电报是向一组网络部件发出的，

-广播电报是向所有网络部件发出的。

如果网络部件接收单点传送或多点传送电报，则该部件借助单点传送或多点传送地址表确定通过哪个端口或通过哪几个端口转发该电报。多点传送地址表的表目由规划预先给定，而单点传送地址表除了规划的表目外还包含动态表目。

由于广播电报是向所有网络部件发出的，因此该电报总是通过所有端口发送，并发送到网络部件的本地用户接口。因此，广播电报会显著加重网络以及用户接口的计算单元的负担。

通常工作在OSI第2层上的耦合节点借助所接收电报的源地址建立其地址表。在该地址表中记录地址以及接收相应电报的端口。将具有一个地址表中现有目标地址的所接收电报针对性地分配到地址表中记录的一个或多个端口，由此减轻了网络的负担。

在利用交换机工作的网络中，在连接的终端设备之间经常采用双向连接(例如TCP/IP连接)。由于该耦合节点的过滤特性，该双向通信(单点传送通信)限制为连接了相应终端的网络部分。相反，广播通信分布在整个第2层网络中，并导致交换机的限制了大小的地址表在连接了非常多的终端设备时“溢出”，也就是不再存储新的源地址。

这然后导致单点数据通信也部分地分配到交换机的所有端口，从而减小了网络中的去耦负载。常用的减少广播电报的方法是将要发送的广播电报的数量限制到可调的阈值。通常试图以很大的地址表工作，该地址表需要相应很大的存储空间，或者要忍受减小的去耦负载。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，实现一种在数据网络、尤其是在实时以太网中运行耦合节点的方法，以及相应的计算机程序产品、耦合节点和通信系统。

本发明要解决的技术问题是分别通过独立权利要求的特征解决的。本发明的优选实施方式在从属权利要求中给出。

根据本发明，检查耦合节点接收的数据电报是否是广播电报。如果该电报不是广播电报，而是单点传送电报，则将数据电报的源地址发送到动态地址表中。但是对于所接收的数据电报是广播电报的情况则不将源地址发送到动态地址表中，而是只通过耦合节点的其它端口转发该数据电报。这样做是基于以下认识，即广播电报不包含关于动态地址表的“学习”的重要信息，而是仅以不重要的信息“淹没”该地址表，从而关于单点传送电报的源地址的重要信息也可能丢失。基于此，根据本发明广播电报不用于训练动态地址表。

但是可以给出以下情况，即其中利用广播电报的地址表学习也具有意义。对于这种情况，如果地址表的学习可以通过广播电报设置或调整，则是具有优点的。

根据本发明的优选实施方式，利用硬件支持检查所接收的数据电报是否是广播电报。为此优选采用专用逻辑电路，例如ASIC。这具有以下优点，即其上运行应用程序的处理器不必由于检查所接收的数据电报是否是广播电报而耽搁。

根据本发明的另一个优选实施方式，借助地址检查是否是广播电报。

根据本发明的另一个优选实施方式，检查由耦合节点接收的数据电报是否包含因特网协议(IP)的ARP请求(ARP：地址解析协议)。如果包含，则得出这是广播电报。只有在所接收数据电报的IP目标地址与耦合节点的IP局地址相同的情况下，才将数据电报发送到用户接口。

ARP请求电报允许将IP地址映射到物理(第2层)地址，例如以太网地址。ARP请求电报是根据MAC帧的特定标识来识别的，在以太网中例如是类型标识0806H。必要的第3层信息包含在该MAC电报的有效数据区中。

本发明特别优选的是采用

-通过滤除不必要的ARP电报来消除网络部件计算单元的负担，

-利用不同的源地址解除单点传送地址表中表目的过滤功能与所接收广播电报的数量之间的耦合。

特别优选的是，根据本发明在场总线领域对于实时以太网通信采用针对广播电报的过滤机制。

此外特别优选的是，所公开的方法可以用在自动化系统中，尤其是用于包装机器、冲压机、塑料喷射机器、纺织机器、印刷机、机床、机器人、操纵系统、木材加工机器、玻璃加工机器、陶瓷加工机器和起重机以及其中。

附图说明

下面通过附图详细说明本发明的优选实施例。示出了：

图1为由现有技术公知的在耦合节点中具有动态地址表的通信系统框图，

图2为根据本发明的耦合节点的实施方式的节点框图，

图3为具有ARP请求的数据电报的示意图，

图4为显示图2中耦合节点工作方式的优选实施方式的流程图，

图5为根据本发明的具有广播电报的通信系统的实施方式，

图6为具有单点传送电报的图5的通信系统。

具体实施方式

图2示出了数据网络的一个耦合节点100，其中，该数据网络是例如实时以太网。耦合节点具有端口102、104、106和108。耦合节点100通过端口102至108与数据网络的其它耦合节点或目标节点连接。

耦合节点100具有动态地址表110。此外，耦合节点100还具有一个逻辑电路112，该电路优选为ASIC模块。

此外耦合节点100还具有其上运行应用程序116的微处理器114。

当耦合节点100在其端口102接收数据电报118时，由逻辑电路112检查其是广播电报还是单点传送电报。如果是单点传送电报，则将该数据电报118的源地址发送到地址表110，以便动态匹配该地址表。但如果是广播电报，则只通过耦合节点的其它端口、即通过端口104、106和108转发该数据电报118。

对于是广播电报且采用了ARP协议的情况，进一步由逻辑电路112检查数据电报118中的IP目标地址是否与耦合节点100的IP局地址一致。只有在一致的情况下才将数据电报118发送到应用程序116。这具有以下优点，即处理器114的处理容量不会由于没有将IP目标地址对准节点100的ARP广播电报而加重负担。

此外还具有优点的是，不用广播电报的源地址“淹没”动态地址表110，而是仅采用单点传送用于动态匹配地址表110。

广播电报可以由逻辑电路112借助OSI(开放式系统互联)7层模型的特定第2层MAC地址识别，例如在以太网应用中目标地址字段中只有逻辑1。

为了滤出广播电报，可以采用不同的过滤机制：

仅向网络部件的用户接口发送确定类型的广播电报以及OSI7层模型第3层的可参数化地址。一个例子是具有目标IP地址的因特网协议(IP)的ARP请求电报(ARP：地址解析协议)，该目标IP地址必须与自身的IP地址相同。该类型的所有其它第3层广播电报都被滤出。

总的来说，在此优选的是采用广播电报过滤规则用于电报。仅当满足了该过滤规则时，该电报才能转发到应用程序。

另一个过滤机制在图3中示出。图3示出了具有ARP请求120的数据电报118，该ARP请求包含了一个目标IP地址。

数据电报118还具有有效数据区122以及电报报头124。

具有ARP请求120的数据电报118允许将IP地址映射到物理(第2层)地址，例如以太网地址。ARP请求120的识别可以借助MAC帧的特定标识进行，对于以太网例如借助类型标识0806H。必要的第3层信息包含在有效数据区122中。

因此，逻辑电路112(参见图2)检查所接收的数据电报118是否包含广播地址或ARP请求120。如果包含了，则这是广播电报。

图4示出了运行耦合节点的方法的优选实施方式的流程图，该耦合节点如图2所示。

在步骤400中，在耦合节点的端口接收数据电报。在步骤402中，利用硬件支持检查该数据电报是否是广播电报。如果不是广播电报，则在步骤404中将该数据电报用于训练动态地址表。在步骤406中，如果数据电报的目标地址与耦合节点的局地址一致，则根据该目标地址通过耦合节点的至少一个端口转发数据电报，或者发送给耦合节点的应用程序。

如果在步骤402中检查出是广播电报，则在步骤408中检查广播电报的目标IP地址是否与耦合节点的IP局地址相同。如果相同，则在步骤410中将广播电报发送到应用程序，如果满足了过滤规则的话。此外，在步骤412中通过耦合节点的所有其它端口转发广播电报。

图5示出了具有数据网络600的通信系统，在该数据网络上耦合了用户Tn_1、Tn_2、Tn_3、Tn_4和Tn_5。在此，用户原则上与图2中的耦合节点的构造相同。用户Tn_1只知道Tn_5的IP地址。为了也知道物理MAC地址，Tn_1发送一个ARP请求作为广播电报。利用根据本发明的过滤功能，将该电报仅发送到Tn_5的应用程序，也就是说，其它网络节点的用户接口无法获得该ARP请求。

图6示出了在用户Tn_5从用户Tn_1接收了具有ARP请求的广播电报后的数据网络600。用户Tn_5处理该ARP请求，并用其与目标IP地址对应的MAC地址响应用户Tn_1。因此该响应是单点传送电报形式的。

Claims

1.一种用于在数据网络中运行耦合节点(100)的方法，具有以下步骤：

-在所述耦合节点(100)的第一端口(102)接收数据电报(118)，

-检查(112)该数据电报(118)是否是广播数据电报，并对于不是广播数据电报的情况则：

-将该数据电报(118)的源地址发送到动态地址表(110)，而对于是广播数据电报的情况则：

-通过所述耦合节点(100)的其它端口(104，106，108)转发该数据电报(118)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，可以选择是否将广播数据电报发送到所述动态地址表(110)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，为了检查所述数据电报(118)是否是广播数据电报，检查该数据电报(118)是否包含ARP请求(120)。

4.如权利要求1、2或3之一所述的方法，其中，对于所述数据电报(118)是广播数据电报的情况，将该数据电报(118)的IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址进行比较，并且当该IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址一致时，不通过所述耦合节点(100)的其它端口(104，106，108)转发该数据电报(118)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，仅当所述IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址一致时，才发送所述耦合节点的应用程序的广播数据电报。

6.一种计算机程序产品，尤其是在数据网络中用于耦合节点(100)的数字存储介质，具有实施以下步骤的程序方法：

-在所述耦合节点(100)的第一端口(102)接收数据电报(118)，

-检查该数据电报(118)是否是广播数据电报，并对于不是广播数据电报的情况则：将该数据电报(118)的源地址发送到动态地址表(110)，以及

-对于是广播数据电报的情况则：通过所述耦合节点(100)的其它端口转发该数据电报(118)。

7.如权利要求6所述的计算机程序产品，其中，所述程序方法这样构成，即为了检查所述数据电报(118)是否是广播数据电报，检查该数据电报(118)是否包含ARP请求(120)。

8.如权利要求6或7所述的计算机程序产品，其中，所述程序方法这样构成，即仅当所述IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址一致时，才发送所述耦合节点的应用程序的广播数据电报。

9.一种用于数据网络的耦合节点(100)，具有

-多个用于接收和发送数据电报(118)的端口(102，104，106，108)，

-一个动态地址表(110)，

-用于检查接收的数据电报(118)是否是广播数据电报的装置(112)，

-用于当该数据电报不是广播数据电报时将所接收的数据电报(118)的源地址发送到所述动态地址表(110)的装置(112)，

-用于通过所述耦合节点(100)的其它端口转发所接收的数据电报(118)的装置。

10.如权利要求9所述的耦合节点(100)，其中，所述用于检查的装置这样构成，即为了检查所述数据电报(118)是否是广播数据电报，检查该数据电报(118)是否包含ARP请求(120)。

11.如权利要求9或10所述的耦合节点(100)，其中，所述用于转发的装置这样构成，即在所述数据电报(118)是广播数据电报，且该数据电报(118)的IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址一致的情况下停止转发。

12.如权利要求9、10或11之一所述的耦合节点(100)，具有仅当所述IP目标地址与所述耦合节点(100)的IP地址一致时，将广播数据电报发送到所述耦合节点(100)的应用程序的装置。

13.一种通信系统，具有数据网络和至少一个如权利要求9至12中任一项所述的耦合节点(100)。