DE102011013083A1

DE102011013083A1 - Verfahren zum Betreiben eines redundanten Netzwerkes

Info

Publication number: DE102011013083A1
Application number: DE102011013083A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Hirschmann Automation and Control GmbH
Current assignee: Hirschmann Automation and Control GmbH
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes, wobei das Netzwerk eine vorgebbare Topologie aufweist, innerhalb derer mehrere Netzwerkinfrastrukturgeräte untereinander über Datenverbindungen miteinander kommunizieren, wobei jedes Netzwerkinfrastrukturgerät zumindest eine Schnittstelle aufweist, an der eine Datenverbindung angeschlossen ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass
• ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Sender definiert wird,
• ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Empfänger definiert wird,
• dass zwischen zwei Netzwerkinfrastrukturgeräten eine Unterbrechung der Datenverbindung definiert wird,
• eine Messroutine definiert wird,
• die Netzwerkinfrastrukturgeräte entsprechend der Definitionen konfiguriert werden,
• die Messroutine zuerst ohne eine Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein erstes Ergebnis ermittelt wird,
• die Messroutine danach bei Vorhandensein der Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein weiteres Ergebnis ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines redundanten Netzwerkes (Netzwerk mit redundanter Topologie) gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
In Netzwerken mit redundanter Topologie, welche über ein Redundanzprotokoll überwacht wird, sollte bei Inbetriebnahme und auch in regelmäßigen Serviceintervallen überprüft werden, ob Netzwerkparameter wie Umschaltzeiten, Delay, Jitter etc. im akzeptablen Bereich liegen.
Hierfür sind bereits einige typische Messverfahren und Messgeräte weit verbreitet, mit denen allerdings die Topologie von außen beschaltet werden muss. Dass bedeutet für den Anlagenbetreiber, dass für die Messung zusätzliche – in der Regel teure – Gerätschaften beschafft, bereitgehalten und bedient werden müssen. Zudem muss in die Anlage selbst physikalisch eingegriffen werden, um Messungen durchführen zu können (Anbindung der Messgeräte, Linkunterbrechung).
Es brächte daher eine deutliche Verbesserung für den Anlagenbetreiber, wenn die Möglichkeit zur Durchführung dieser Messungen bereits in den Infrastrukturgeräten des Netzwerks selbst enthalten wäre und diese auch über einen Remotezugang durchgeführt werden könnte. Auch ist nicht immer eine Plazierung der Messgeräte am gewünschten Punkt in der Topologie möglich.
Für eine Umschaltzeitmessung in einer Netzwerktoplogie sind im Wesentlichen folgende Systemkomponenten notwendig:

1) Datensender
2) Datenempfänger
3) Datenreflektor
4) Linkunterbrecher

Diese üblicherweise für jeden Messzyklus extern anzubringenden Geräte sollen nach dem neuen Verfahren in der Embedded Software und ggf. Hardware der Infrastrukturgeräte selbst dauerhaft vorgehalten werden. Eine Realisierung bspw. in einem Ethernet-Switch ist vollständig in Software möglich.
Ein Messszenario soll dann über eine zentrale Netzwerkmanagementstation (NMS) konfiguriert und der Meßzyklus ebenfalls über NMS angestartet und das Ergebnis auch hierüber ausgewertet werden können. Damit kann der Netzwerkbetreiber von seiner zentralen Netzmanagementstation auch über eine große Entfernung hinweg diese Messungen durchführen, ohne sich zur Anlage begeben und dort physikalisch eingreifen zu müssen.
Die mit diesem Verfahren realisierbaren Messverfahren (z. B. Packet Loss, Delay, Jitter, Performance) über Einweg- oder Zweiweg-Kommunikationspfade (mit Reflektor) hinweg auf Layer 2 oder Layer 3 sind Stand der Technik und sollen hier nicht detailliert betrachtet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines redundanten Netzwerkes mit einer vorgegebenen Topologie bereitzustellen, mit der die Netzwerkparameter ohne zusätzlichen Aufwand, vorzugsweise ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand, und im laufenden Betrieb des installierten Netzwerkes zu überprüfen.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

• ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Sender definiert wird,
• ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Empfänger definiert wird,
• dass zwischen zwei Netzwerkinfrastrukturgeräten eine Unterbrechung der Datenverbindung definiert wird,
• eine Messroutine definiert wird,
• die Netzwerkinfrastrukturgeräte entsprechend der Definitionen konfiguriert werden,
• die Messroutine zuerst ohne eine Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein erstes Ergebnis ermittelt wird,
• die Messroutine danach bei Vorhandensein der Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein weiteres Ergebnis ermittelt wird.

Dadurch ist in vorteilhafter Weise die Messung der zu messenden Netzwerkparameter im laufenden Betrieb unter realitätsgetreuen Bedingungen ohne Änderungen des Netzwerkes oder ohne Eingriff in die Anlage, deren Sensoren, Aktoren und dergleichen über das Netzwerk gesteuert werden, möglich.
Weitere Möglichkeiten bzw. Vorteile des Verfahrens:

1) Messung im laufenden Betrieb unter realitätsgetreuen Bedingungen ohne Änderungen an der Anlage.
2) Flexible Konfiguration des Messszenarios durch Umkonfiguration in Software möglich: Unterbrecher, Sender, Empfänger oder Reflektor können an beliebigen, unterschiedlichen Stellen der Topologie plaziert werden (oder auch konzentriert in einem Gerät), sofern die dort vorhandenen Geräte das Verfahren unterstützen.
3) Das Messergebnis kann als Pass/Fail-Wert oder alternativ in Absolutwerten von der Auswerteeinheit im Empfänger oder der anfordernden NMS ausgegeben werden.
4) Bei erhöhten Anforderungen an die Messgenauigkeit kann der Sender sowie Empfänger auch in Hardware realisiert werden (z. B. FPGA, welches die CPU unterstützt).
5) Bei erhöhten Anforderungen an die Messgenauigkeit kann eine Uhrzeitsynchronsiation (z. B. IEEE 1588) zwischen Sender und Empfänger realisiert werden.
6) Statistische Datensammlung durch automatisierte Ermittlung einer grollen Anzahl von Messwerten auch an unterschiedlichen Messpunkten und über lange Zeiträume hinweg möglich ohne Benutzereingriff außer bei der Erstkonfiguration.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden ermittelten Ergebnisse, nach denen die Messroutine zuerst ohne eine Unterbrechung und dann bei Vorhandensein der Unterbrechung durchgeführt wurde, miteinander verglichen werden. Hieraus lassen sich für den Betreiber des Netzwerkes Rückschlüsse ziehen, ob die Komponenten des Netzwerkes fehlerfrei oder fehlerbehaftet arbeiten.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Vergleichsergebnis gespeichert und/oder dargestellt wird. Hierdurch ist es möglich, dass das ermittelte Vergleichsergebnis (z. B. die ermittelten Ergebnisse liegen in einem zulässigen „grünen” Bereich oder in einem unzulässigen „roten” Bereich) direkt auf dem Netzwerkinfrastrukturgerät oder einer angeschlossenen Netzwerkmanagementstation dargestellt werden, wodurch der Vorteil gegeben ist, dass für den Fall, dass das Vergleichsergebnis in einem unzulässigen Bereich liegt, von der Bedienperson des Netzwerkes direkt auf diesen Fehler reagiert werden kann. Sollte dies nicht erforderlich sein oder zurzeit nicht möglich sein, kann das Vergleichsergebnis gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen und dargestellt und dementsprechend darauf reagiert werden. Beiden einzelnen Varianten oder der Kombination dieser beiden einzelnen Varianten ist der Vorteil gegeben, dass auf jeden Fall auf Fehler innerhalb des Netzwerkes direkt oder verzögert reagiert werden kann, ohne den laufenden Betrieb der Anlage, die über das Netzwerk gesteuert bzw. geregelt wird, zu stören.
Wie vorstehend schon ausgeführt, können die beiden ermittelten Ergebnisse der durchzuführenden Messroutinen und/oder das Vergleichsergebnis auf einem Netzwerkinfrastrukturgerät und/oder auf einer an das Netzwerk angeschlossenen Netzmanagementstation dargestellt werden. Die Darstellung auf einem der Netzwerkinfrastrukturgeräte innerhalb der Topologie des Netzwerkes hat den Vorteil, dass direkt vor Ort ggf. ein Fehler erkennbar ist, auf den auch direkt reagiert werden kann (z. B. durch Austausch des betroffenen Netzwerkinfrastrukturgerätes). Die Darstellung der beiden ermittelten Ergebnisse und/oder des Vergleichsergebnisses auf der an das Netzwerk angeschlossenen Netzwerkmanagementstation hat den Vorteil, dass die Bedienperson (Administrator) des Netzwerkes nicht vor Ort sein muss, an dem das Netzwerk installiert ist. Denn die Netzwerkmanagementstation kann über entsprechende Datenverbindungen (drahtgebunden und/oder drahtlos) weit entfernt auf die Topologie des Netzwerkes zugreifen und ggf. durch entsprechende Eingriffe in die Softwareroutinen der einzelnen Netzwerkinfrastrukturgeräte auf einen Fehler reagieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messroutine in einer Speichereinheit, insbesondere einem FPGA (Field Programmable Gate Array), eines jeden Netzwerkinfrastrukturgerätes abgespeichert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Software für die Messroutine in einem Extrateil des Netzwerkinfrastrukturgerätes abgelegt ist, um nicht den ansonsten vorhandenen Speicherplatz und die Performance des Netzwerkinfrastrukturgerätes zu beeinflussen.
Anstelle dessen ist es auch denkbar, dass die Messroutine in der zentralen Steuereinheit eines jeden Netzwerkinfrastrukturgerätes enthalten ist. Dies bietet sich dann an, wenn die zentrale Steuereinheit eines Netzwerkinfrastrukturgerätes ausreichend Speicherplatz und Performance umfasst, um die Messroutinen in der Steuereinheit des Netzwerkinfrastrukturgerätes auszuführen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren dargestellt und weiter erläutert.
In den 1 bis 4 sind die funktionalen Komponenten, nämlich ein Sender, ein Empfänger, ein Reflektor und ein Unterbrecher, dargestellt. Es handelt sich hierbei um an sich bekannte Netzwerkinfrastrukturgeräte, wie z. B. Switche, Routers, Hubs, oder dergleichen. Die funktionalen Komponenten, wie sie in den 1 bis 4 dargestellt sind, sind durchweg auch einer normalen Manage Switch Hardware als reine Softwarefunktionalität realisierbar. Bei hoher Performanceanforderung sind die Funktionalitäten wie in den Figuren dargestellt auch durch Realisierung mit Hardware-Unterstützung denkbar (z. B. einen FPGA).
Die Netzwerkinfrastrukturgeräte weisen in an sich bekannter Weise Schnittstellen, beispielsweise Internet-Ports auf, wobei der Switch von einer zentralen Steuereinheit CPU gesteuert wird. Die noch zu beschreibenden Messroutinen sind entweder in einer zusätzlichen Speichereinheit (wie beispielsweise der FPGA) abgespeichert oder können unter Weglassung der zusätzlichen Speichereinheit in der zentralen Steuereinheit CPU integriert sein.
Der in 1 dargestellte Sender umfasst eine konfigurierbare Routine in Software für das Versenden von Datenpaketen, ggf. auch mit einem Zeitstempel und/oder einer Sequenznummer.
Der in 2 dargestellte Empfänger umfasst eine konfigurierbare Routine in Software zum Empfangen und Auswerten sowie Aufbereiten der Messergebnisse.
Der in 3 dargestellte Reflektor umfasst eine konfigurierbare Routine in Software zum Empfangen und Zurückspiegeln von Paketen an dem Sender gemäß 1.
4 zeigt einen Unterbrecher, der eine konfigurierbare Routine in Software zum Abschalten des physikalischen Links an den gewünschten Port umfasst.
Die in den 1 bis 4 dargestellten funktionalen Komponenten werden im Folgenden innerhalb einer Topologie eines Netzwerkes mit Bezug auf die 5 und 6 näher erläutert.
Die 5 und 6 zeigen eine an sich bekannte Topologie eines redundanten Netzwerkes. In diesem Netzwerk sind verschiedenen Netzwerkinfrastrukturgeräte (hier mehrere Switche) untergebracht, die jeweils eigene Schnittstellen aufweisen und die untereinander über Datenverbindungen miteinander verbunden sind und Daten austauschen.
In den 5 und 6 ist das Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes zur Umschaltzeitmessung dargestellt und im Folgenden beschrieben. Anstelle der Messroutine zur Erfassung der Umschaltzeit können auch die Messroutinen die Erfassung der Paketrate und/oder den Pakettyp und/oder die Anzahl der Unterbrechungen und/oder den Jitter und/oder ein Pass/Fail-Kriterium umfasse.
Zur Erfassung der Umschaltzeit für den Fall, dass eine Datenverbindung zwischen zwei Netzwerkinfrastrukturgeräten unterbrochen wird (z. B. ein gezogener Stecker oder ein durchtrenntes Kabel oder dergleichen) wird zur Überprüfung der Betriebsfähigkeit des redundanten Netzwerkes ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Sender definiert (in 5 der Switch 6). Weiterhin wird definiert, welches Netzwerkinfrastrukturgerät als Empfänger arbeiten soll (in 5 der Switch 2). Außerdem wird eine Unterbrechungsstelle (Unterbrechung der Datenverbindung) definiert (in 5 die Strecke X). Anschließend wird die Messroutine (Messzyklus) definiert (hier in diesem Fall die Messung der Umschaltzeit, das aber keine Einschränkung darstellt).
Anschließend werden alle Netzwerkinfrastrukturgeräte innerhalb der Netzwerktopologie oder alternativ nur die zu betrachtenden Netzwerkinfrastrukturgeräte gemäß den vorstehenden Definitionen über ein Netzwerkinfrastrukturgerät, welches als Konfigurator eingesetzt wird, oder über die Netzwerkmanagementstation konfiguriert.
Danach wird die erste Messroutine gestartet, wobei die Strecke X noch nicht unterbrochen ist. Nach dem Starten der Messung werden wie in 5 dargestellt, die Messpakete (Datenpakete) von dem Sender (Switch 6) über den Switch 4, Switch 3 zu dem Empfänger (Switch 2) gesendet. Nach der Unterbrechung der Strecke X müssen die Messpakete wie in 6 gezeigt über dem Switch 5, Switch 4, Switch 3 von dem Sender (Switch 6) zu dem Empfänger (Switch 2) transportiert werden. In diesem Fall ist der Switch 4 auch als Unterbrecher gemäß 4 ausgebildet.
Nachdem die beiden Messroutinen (ohne und mit Unterbrechung der Strecke X) durchgeführt worden sind, liest insbesondere die Netzwerkmanagementstation die gemessenen Werte (wie z. B. die Umschaltzeit, Jitter, Durchsatz und dergleichen) aus dem Gerät mit der Auswerteeinheit (nämlich dem Empfänger, hier der Switch 2) aus und verarbeitet diese ggf. weiter (z. B. statistische Analyse, Prüfung gegen Fail-Schwellwert und dergleichen). Alternativ können diese Berechnungen auch in der Auswerteeinheit in dem jeweiligen Netzwerkinfrastrukturgerät erfolgen.
Die Ergebnisse der beiden Messroutinen können für sich alleine oder gemeinsam oder das Vergleichsergebnis des Vergleiches zwischen dem Ergebnis der beiden Messroutinen abgespeichert bzw. direkt dargestellt werden. Dabei ist es denkbar, dass die einzelnen Messergebnisse oder das Vergleichsergebnis, ggf. graphisch aufbereitet, zeitlich direkt auf dem Netzwerkinfrastrukturgerät und/oder der Netzwerkmanagementstation dargestellt werden, um direkt darauf reagieren zu können. Je nach Art der Messergebnisse ist es auch denkbar, diese in einer Speichereinheit in dem Netzwerkinfrastrukturgerät und/oder in einer Speichereinheit der Netzwerkmanagementstation zu speichern, um sie zeitlich später abrufen und dann entscheiden zu können, ob darauf reagiert wird oder nicht.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren noch einmal mit anderen Worten dargestellt:

1) Die Ausgangssituation der Topologie ist wie in 5 gezeigt.
2) Definieren, welcher Switch als Sender arbeitet (in 5 Switch 6).
3) Definieren, welcher Switch als Empfänger arbeitet (in 5 Switch 2).
4) Definieren der Unterbrechungsstelle (in 5 die Strecke X).
5) Messzyklus definieren (Paketrate, Pakettyp, Anzahl der Unterbrechungen, Pass/Fail-Kriterium).
6) Alle betroffenen Geräte entsprechend obiger Definiton über Management PC (NMS) konfigurieren.
7) Starten des Messzyklus: Nach dem Starten der Messung werden wie in 5 die Messpakete von dem Sender (Switch 6) über den Switch 4, Switch 3 zu dem Empfänger (Switch 2) gesendet. Nach der Unterbrechung der Strecke X müssen die Messpakete wie in 6 gezeigt über den Switch 5, Switch 4, Switch 3 zu dem Empfänger (Switch 2).
8) Auswertezyklus: das NMS liest die gemessenen Werte (z. B. Umschaltzeit, Jitter, Durchsatz) aus dem Gerät mit der Auswerteeinheit (Empfänger) aus und verarbeitet diese ggf. weiter (z. B. statistische Analyse, Prüfung gegen FAIL-Schwellwert etc.) Alternativ können diese Berechnungen auch in der Auswerteeinheit im Infrastrukturgerät erfolgen.
9) Ergebnisausgabe (z. B. als Pass/Fail-Aussage, Grafik etc.). Abrufbar über den Management PC (NMS) wie in 5, 6.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 1588 [0012]

Claims

Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes, wobei das Netzwerk eine vorgebbare Topologie aufweist, innerhalb derer mehrere Netzwerkeinfrastrukturgeräte untereinander über Datenverbindungen miteinander kommunizieren, wobei jedes Netzwerkinfrastrukturgerät zumindest eine Schnittstelle aufweist, an der eine Datenverbindung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Sender definiert wird, • ein Netzwerkinfrastrukturgerät als Empfänger definiert wird, • dass zwischen zwei Netzwerkinfrastrukturgeräten eine Unterbrechung der Datenverbindung definiert wird, • eine Messroutine definiert wird, • die Netzwerkinfrastrukturgeräte entsprechend der Definitionen konfiguriert werden, • die Messroutine zuerst ohne eine Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein erstes Ergebnis ermittelt wird, • die Messroutine danach bei Vorhandensein der Unterbrechung der Datenverbindung durchgeführt und ein weiteres Ergebnis ermittelt wird.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ermittelten Ergebnisse miteinander verglichen werden.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsergebnis gespeichert und/oder dargestellt wird.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ermittelten Ergebnisse und/oder das Vergleichsergebnis auf einem Netzwerkinfrastrukturgerät dargestellt wird/werden.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ermittelten Ergebnisse und/oder das Vergleichsergebnis auf einer an das Netzwerk angeschlossenen Netzwerkmanagementstation dargestellt wird/werden.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messroutine die Paketrate und/oder den Pakettyp und/oder die Anzahl der Unterbrechungen und/oder den Jitter und/oder die Umschaltzeit und/oder ein Pass/Fail-Kriterium umfasst.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messroutine in einer Speichereinheit, insbesondere einem FPGA, eines jeden Netzwerkinfrastrukturgerätes abgespeichert wird.
Verfahren zum redundanten Betreiben eines Netzwerkes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messroutine in der zentralen Steuereinheit eines jeden Netzwerkinfrastrukturgerätes enthalten ist.