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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum medienredundanten
Betreiben eines Endgeräts
in einem Netzwerk. Bei der Verknüpfung
von elektronischen Endgeräten,
wie z. B. Computern oder elektronisch gesteuerten Fertigungsmaschinen,
mittels eines Netzwerks ist es wünschenswert,
dass eine Medienredundanz für
jedes Endgerät vorliegt.
Ein Endgerät
kann hierbei jede beliebige Einrichtung sein, die eine Netzwerkkomponente
des Netzwerks aufweist bzw. daran angeschlossen ist. Der Begriff
Netzwerkkomponente umfasst jede Vorrichtung, die Datenpakete in
dem Netzwerk versenden n. Netzwerkkomponenten in diesem Sinne können beispielsweise
Switches oder Hubs sein. Ein Switch ist eine aktive Netzwerkkomponente
zur Verbindung einzelner Segmente eines Netzwerkes untereinander.
Ein Hub ist ebenfalls eine aktive Netzwerkkomponente, beispielsweise
ein Sternkoppler. Als Verbindungsmedium werden Bestandteile eines Netzwerks
bezeichnet, über
die zwischen verschiedenen Netzwerkkomponenten Daten und Signale physikalisch übermittelt
werden können.
Hierzu gehören
beispielsweise Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel und faseroptische
Kabel. Der Begriff Medium umfasst neben dem reinen Verbindungsmedium
zusätzlich
auch dessen Verbindungskomponenten mit dem Netzwerk einerseits (Netzwerkkomponenten)
und dem Endgerät
andererseits (Übertragungseinrichtungen).
Da jedoch insbesondere die Verbindungsmedien von möglichen
Ausfällen,
beispielsweise durch äußere Zerstörung, betroffen
sein können,
stellen diese den wesentlichen Fokus beim Aufbau einer medienredundanten
Verbindung dar. Ist ein Endgerät über zwei
physikalisch unabhängige
Medien mit dem Netzwerk verbunden (medienredundant), so kann bei einem
Ausfall des einen Mediums trotzdem sicher und zuverlässig mit
dem Endgerät
kommuniziert werden. Da Störungen
einzelner Medien nicht vermeidbar sind, können durch eine Medienredundanz
im Falle von Medienstörungen
zum Beispiel in Produktionsbetrieben Fertigungsausfälle vermieden
werden.
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Eine
Medienredundanz kann in einem Endgerät beispielsweise dadurch erreicht
werden, dass das Gerät
mit zwei Übertragungseinrichtungen
mit jeweils einer eigenen Medienzugangssteuerung (Controller) ausgerüstet wird,
die über
verschiedene Verbindungsmedien mit dem Netzwerk verbunden sind. Dieser
Aufbau kann im Endgerät
z. B. in Form zweier separater Netzwerkkarten realisiert werden.
Hierbei können
zum Einbinden eines Endgeräts
gebräuchliche
Netzwerkkomponenten verwendet werden. Ferner ist eine Ausfallüberwachung
bis ins Endgerät
von Anwendung zu Anwendung in allen Netzwerkprotokollebenen getrennt
für die
zwei verschiedenen Netzwerkanbindungen möglich. Nachteilig ist jedoch, dass
in jedem Endgerät
zwingend zwei Netzwerkkarten erforderlich sind, was zu einer Kostensteigerung der
Endgeräte
führt.
Ferner müssen
in diesem Fall jedem Endgerät
zwei Medienzugangssteuerungs-Adressen ("media access control addresses" – MAC-Adressen) sowie zwei
Internetprotokoll-Adressen (IP-Adressen) zugewiesen werden. Eine
Ausfallüberwachung
und ein Wechsel zwischen den beiden Verbindungen über die
zwei Netzwerkkarten findet auf einer höheren Netzwerkprotokollebene,
in der Regel auf der Anwendungsebene, statt und erfolgt damit unter
Verwendung von Rechnerkapazität
des Endgerätes.
Die Ausfallüberwachung
auf der Anwendungsebene bewirkt daher, dass die Rechnerleistung des
Endgeräts
bezüglich
der eigentlichen Anwendung eingeschränkt wird. Die Umschaltzeiten
bei einer Störung
in einem der Medien liegen typischerweise im 100 ms-Bereich.
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Ein
anderer realisierter Ansatz zum Erreichen einer Medienredundanz
wird als Ringredundanz-Ansatz bezeichnet. Dieser Ansatz ist beispielsweise
in der Druckschrift "Industrial
EthernetTM startet durch – Switching
und 100Mbit/s in der industriellen Kommunikation", K. Glas, 1998 beschrieben. Hierbei sind
ein oder mehrere Endgeräte
an ein ringförmiges Netzwerk
angeschlossen. Wird dieses Netzwerk an einer Stelle unterbrochen,
so bleiben alle Endgeräte bzw.
Netzwerkkomponenten an dem ringförmigen Netzwerk
weiter voll funktionsfähig
miteinander verbunden. Bei dieser Lösung benötigen die Endgeräte jeweils
nur eine Netzwerkkarte mit einer Übertragungseinrichtung und
einer Medienzugangssteuerung. Im Störungsfall erfolgt die Umschaltung
auf einer sogenannten zweiten Netzwerkprotokollebene ("layer 2"). Auf der Anwendungsebene
ist kein Programm zur Ausfallüberwachung
erforderlich, es ist jedoch auch keine Überwachung von Anwendung zu Anwendung
möglich.
Nachteilig sind zusätzlich
die Umschaltzeiten im Bereich von 200 ms. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass zur Realisierung des Netzwerks keine Standardswitch-Komponenten
verwendet werden können.
Es können
nur Switch-Komponenten zum Einsatz kommen, die besonders für den Einsatz
in einem Netzwerk mit Ringredundanz ausgelegt sind.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
981 226 A1 geht eine redundant an ein Ethernet-Netzwerk
angebundene Kommunikationsstation hervor, die zwei Übertragungseinrichtungen
sowie zwei Medienzugangssteuerungen aufweist. Dabei sind die Übertragungseinrichtungen
ausschließlich zur Übertragung
von Kommunikationstelegrammen ausgelegt. Eine der Übertragungseinrichtungen
ist als üblicherweise
verwendete Übertragungseinrichtung
definiert. Im ungestörten
Fall kommuniziert die Kommunikationsstation über eine erste Medienzugangssteuerung
und diese Übertragungseinrichtung mit
dem Ethernet-Bus. Bei einem Fehler dieser Übertragungseinrichtung wird
die zuvor mit der zweiten Medienzugangssteuerung verbundene andere Übertragungseinrichtung
nunmehr mit der ersten Medienzugangssteuerung verbunden, so dass
die Kommunikation der Kommunikationsstation fortan über die erste
Medienzugangssteuerung und die intakte andere Übertragungseinrichtung mit
dem Ethernet-Bus stattfinden kann.
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Alternativ
kann anstelle der wechselseitigen Umschaltung der Übertragungseinrichtungen
auf die beiden Medienzugangssteuerungen eine Steuereinrichtung vorgesehen
sein, die die Medienzugangsadressen der Medienzugangssteuerungen
NC1 und NC2 vertauschen kann.
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Außerdem geht
aus der US 2002/0023150 A1 ein Verfahren zur Umschaltung zwischen
Netzwerk-Schnittstellen und einem Computer hervor, bei dem jede
Netzwerk-Schnittstelle eine eigene MAC-Adresse und damit eine eigene
Medienzugangssteuerung aufweist.
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Ferner
ist aus der
US 6 366
557 B1 bekannt, zwei vorhandene Übertragungseinrichtungen (Transceiver)
gleichzeitig aktiv zu halten, um bei Ausfall einer Übertragungsstrecke
einen schnellen Ersatz bieten zu können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ausgehend von einer durch Verdopplung der Übertragungseinrichtungen
und der zugehörigen
Medienzugangssteuerungen erreichten Medienredundanz ein verbessertes
Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum sicheren, zuverlässigen,
kostengünstigen
und schnellen medienredundanten Betreiben eines Endgeräts in einem
Netzwerk zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10
gelöst.
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Die
Erfindung umfasst insbesondere folgenden Gedanken: Ein Endgerät wird über zwei Übertragungseinrichtungen
einer physikalischen Bitübertragungsebene
mit einem Netzwerk verbunden, von denen zu einem Zeitpunkt immer
nur eine aktiv ist, um Daten mit dem Netzwerk auszutauschen. Die Übertragungseinrichtungen
sind mit einer einzigen Steuereinrichtung verbunden. Falls die erste
(aktive) der beiden Übertragungseinrichtungen
feststellt, dass über
ein erstes Verbindungsmedium keine fehlerfreie Verbindung zwischen
ihr und dem Netzwerk besteht, wird sie von der Steuereinrichtung
deaktiviert, die weitere Übertragungseinrichtung
als aktive Übertragungseinrichtung
aktiviert und ein elektronisches Ausfalltelegramm in das Netzwerk
geschickt, so dass das Netzwerk sich an die eingetretene Änderung
bezüglich
des Aktivitätsstatus
der beiden Übertragungseinrichtungen
und dessen Folgen im Hinblick auf die Weiterleitung von Daten für das Endgerät anpassen
kann. Die Verbindung des Endgerätes
mit dem Netzwerk besteht daraufhin mittels der zweiten (redundanten)
Verbindung über
die weitere Übertragungseinrichtung
und das weitere Verbindungsmedium.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist es, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung
geschaffen werden, die ein sehr schnelles Umschalten der redundanten
Anbindung eines Endgeräts
an ein Netzwerk ermöglichen.
Der Begriff "schnelles
Umschalten" beschreibt, dass
der Datenaustausch zwischen dem Endgerät und dem Netzwerk, der über ein
erstes Verbindungsmedium abgewickelt wird, bei einer Störung oder
einer Unterbrechung dieses Verbindungsmediums nach sehr kurzer Zeit,
also schnell, über
das weitere Verbindungsmedium fortgesetzt werden kann. Da der Wechsel
von dem ersten Verbindungsmedium zu dem weiteren Verbindungsmedium
nur das Deaktivieren der ersten Übertragungs einrichtung,
für die die
Störung
festgestellt wurde, und das Aktivieren der weiteren Übertragungseinrichtung
der physikalischen Bitübertragungsebene
sowie das Senden eines elektronischen Ausfalltelegramms erfordert, kann
der Wechsel in weniger als etwa 1 ms erfolgen. Die Umschaltung muss
nicht auf einer höheren
Netzwerkprotokollebene veranlasst werden. Die Erfindung kann sowohl
in einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden als auch mittels
einer Software verwirklicht werden, die mit einer elektronischen Schaltung
zusammenwirkt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann kostengünstig hergestellt
werden und eignet sich sowohl für
einen Einsatz in neu zu gestaltenden Geräten als auch für einen
Einsatz mit Altgeräten,
um diese medienredundant an das Netzwerk anzuschließen.
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Eine
Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass ein von dem Endgerät in das
Netzwerk zu übermittelndes
Datenpaket von einer Analyseeinrichtung analysiert wird, hierbei
eine Medienzugangssteuerungs-Adresse ermittelt wird, die einer Medienzugangssteuerung
des Endgerätes
zugewiesen ist, und die Medienzugangssteuerungs-Adresse beim Erzeugen
des elektronischen Ausfalltelegramms in das elektronische Ausfalltelegramm
eingefügt
wird. Diese Verfahrensschritte ermöglichen es, das Verfahren unabhängig von
einer Vorkenntnis der Medienzugangssteuerungs-Adresse der Medienzugangssteuerung
des Endgeräts
auszuführen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht weiterhin vor, dass das Netzwerk das Ausfalltelegramm analysiert
und sich daraufhin derart anpasst, dass an das Endgerät adressierte
Datenpakete zu dem weiteren Verbindungsmedium weitergeleitet werden.
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich das Netzwerk in sehr kurzer
Zeit auf den Wechsel des Verbindungsmediums einstellen kann, über das
das Endgerät
mit dem Netzwerk verbunden ist. So wird unnötiger Netzwerkverkehr vermieden,
und Datenpakete werden nicht mehr zu dem Verbindungsmedium geleitet,
das gestört
oder fehlerhaft ist.
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Eine
andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Netzwerkkomponente das Ausfalltelegramm analysiert und
ihre Adressen-Adressierungstabelle für die Medienzugangssteuerung
des Endgerätes
anpasst, so dass an das Endgerät
adressierte Datenpakete zu dem weiteren Verbindungsmedium weitergeleitet werden.
Auf diese Weise kann eine besonders schnelle Umstellung des Netzwerkes
erfolgen, da nur die Einstellungen der Netzwerkkomponente geändert werden
müssen.
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Ferner
besteht eine vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
darin, dass eine Netzwerkkomponente verwendet wird, an die das erste
und das weitere Verbindungsmedium angeschlossen sind. Hierbei muss
die Netzwerkkomponente zum Umschalten der Verbindung mit dem Endgerät von dem
ersten (gestörten)
Verbindungsmedium auf das weitere Verbindungsmedium nur intern die
an das Endgerät
gerichteten Datenpakete auf einen anderen Anschluss umleiten. Dies
kann bei Verwendung einer dafür
entsprechend ausgebildeten Netzwerkkomponente besonders einfach
und schnell erfolgen.
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Als
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird aber angesehen, dass eine weitere Netzwerkkomponente verwendet
wird, an die das weitere Verbindungsmedium angeschlossen ist. So
wird auch hinsichtlich eines Ausfalls einer der Netzwerkkomponenten,
mit denen das Endgerät
direkt verbunden ist, eine Redundanz erreicht.
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Eine
weitere Fortbildung des Verfahrens besteht darin, dass von dem Endgerät mit der
Netzwerkkomponente mittels eines Standard-Netzwerkprotokolls, insbesondere
eines Internet Control Message Protokolls (ICMP), eine Kommunikation
durchgeführt
wird, um eine Funktionsfähigkeit
der Netzwerkkomponente zu überprüfen. So
wird dem Endgerät
ermöglicht,
auch auf solche Ausfälle
der Netzwerkkomponente zu reagieren, bei denen weiterhin trotz des
Ausfalls eine fehlerfreie physikalische Verbindung zwischen der Übertragungseinrichtung
und der Netzwerkkomponente besteht.
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Es
kann ferner vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Anwendung auf
dem Endgerät
ausgeführt wird
und die Anwendung mit einer anderen Netzwerkkomponente, die mit
der Netzwerkkomponente verbunden ist, nach vorbestimmten Zeitintervallen Abfragedatenpakete
austauscht, um festzustellen, ob die Netzwerkkomponente funktionsfähig ist.
Auf diese Weise ist es möglich,
den Ausfall der Netzwerkkomponente zu überwachen, wenn diese nicht
in der Lage ist, mittels des Standard-Netzwerkprotokolls zu kommunizieren.
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Eine
andere zweckmäßige Ausführungsform des
Verfahrens sieht vor, dass die andere Netzwerkkomponente ein Anwendungsausfallsignal
erzeugt, wenn die andere Netzwerkkomponente nach einer vorgegebenen
Anzahl der vorbestimmten Zeitintervalle keines der Abfragedatenpakete
empfangen hat. Auf diese Weise ist es möglich, einen Ausfall der Anwendung
auf der anderen Netzwerkkomponente festzustellen. Ist beispielsweise
die Anwendung des Endgeräts
darauf angewiesen, Daten mit der anderen Anwendung der anderen Netzwerkkomponente auszutauschen,
so ist es bei Kommunikationsstörungen
wichtig, "Netzwerkstörungen" von Anwendungsausfällen unterscheiden
zu können.
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Bezüglich der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht eine vorteilhafte Ausführungsform
vor, dass an die Netzwerkkomponente das erste und das weitere Verbindungsmedium
angeschlossen sind. Auf diese Weise kann besonders schnell bei einem Ausfall
des ersten Verbindungsmediums eine Umschaltung auf das zweite Verbindungsmedium
erfolgen, da die Netzwerkkomponente nur intern auf einen anderen
Anschluss umschalten muss. Für
einen solchen Ausbildungsfall ist allerdings eine entsprechend ausgestaltete
Netzwerkkomponente einzusetzen.
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Eine
alternative vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die weitere Übertragungseinrichtung über das
weitere Verbindungsmedium mit einer anderen Netzwerkkomponente verbunden
ist. Auf diese Weise erhält die
Vorrichtung auch eine Redundanz hinsichtlich eines Ausfalls der
Netzwerkkomponente bzw. der anderen Netzwerkkomponente.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform der
Vorrichtung sieht vor, dass die Übertragungseinrichtung,
die weitere Übertragungseinrichtung
und die Steuereinrichtung auf einer Netzwerkkarte des Endgerätes angeordnet
sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Vorrichtung auf einfache
Weise in ein Endgerät
integriert werden kann. Ferner eröffnet dies die Möglichkeit,
handelsüblichen
Personalcomputern medienredundant an ein Netzwerk anzuschließen.
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Eine
zweckmäßige Fortbildung
besteht darin, dass die Übertragungseinrichtung,
die weitere Übertragungseinrichtung
und die Steuereinrichtung in einem Redundanzschalter angeordnet
sind, der mit dem Endgerät
verbunden ist. Mittels solch eines Redundanzschalters können Endgeräte medienredundant
angeschlos sen werden, die hierfür
nicht konstruiert sind, ohne dass die Endgeräte modifiziert werden müssen.
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Eine
weitere zweckmäßige Weiterbildung der
Vorrichtung sieht vor, dass der Redundanzschalter eine zusätzliche Übertragungseinrichtung
in der physikalischen Bitübertragungsebene
umfasst, um Datenpakete mit dem Endgerät auszutauschen. Mit diese
Weiterbildung kann ohne zusätzliche
Vorkehrungen ein netzwerktaugliches Endgerät medienredundant mit dem Netzwerk
verbunden werden. Zusätzlich
kann diese Weiterbildung verwendet werden, ein Endgerät nicht
nur über
zwei getrennte Verbindungsmedien, sondern auch über zwei verschiedene Verbindungsmedientypen,
z. B. über
ein Twisted-Pair-Kabel und über
ein faseroptisches Kabel, zu verbinden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Vorrichtung sieht eine Analyseeinrichtung zum Analysieren eines
von dem Endgerät
in das Netzwerk zu übermittelnden
Datenpakets, zum Ermitteln einer Medienzugangssteuerungs-Adresse
und zum Einfügen
der Medienzugangssteuerungs-Adresse in das elektronische Ausfalltelegramm
vor. Diese Ausführungsform
kann ohne eine Vorkenntnis der Medienzugangssteuerungs-Adresse des
Endgeräts
betrieben werden und ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Medienzugangssteuerungs-Adresse
aufgrund eines Austausches der Medienzugangssteuerung im Zuge von
Wartungs- bzw. Aufrüstungsarbeiten
an dem Endgerät
verändert,
da bei dieser Ausführungsform
automatisch die neue Medienzugangssteuerungs-Adresse ermittelt wird.
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Eine
zweckmäßige Fortbildung
der Vorrichtung besteht darin, dass die Steuereinrichtung die Analyseeinrichtung
umfasst. So wird eine kompakte Ausführungsform geschaffen.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass
die Steuereinrichtung eine elektronisch programmierbare Logikvorrichtung (ELPD)
ist. Eine solche Steuereinrichtung ist kostengünstig und kann leicht an eine
Medienzugangssteuerungs-Adresse des Endgeräts angepasst werden. Mit dieser
Weiterbildung lässt
sich ein besonders schneller Wechsel von dem Verbindungsmedium zu dem
anderen Verbindungsmedium bewirken.
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Eine
andere Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Steuereinrichtung
die Medienzugangssteuerung umfasst. Diese Weiterbildung gestattet
es, eine sehr kompakte und kostengünstige Ausführungsform der Erfindung zu
konstruieren.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Endgerät,
das medienredundant mit einem Netzwerk verbunden ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Netzwerks;
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3 eine
andere Ausführungsform
eines Endgeräts,
das medienredundant mit einem Netzwerk verbunden ist;
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4 eine
Vorrichtung zum medienredundanten Betreiben eines Endgeräts in einem
Netzwerk; und
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5 eine
weitere Vorrichtung zum medienredundanten Betreiben eines Endgeräts in einem Netzwerk.
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1 zeigt
ein medienredundant an ein Netzwerk 4 angeschlossenes Endgerät 1.
Beispielhaft wird hier davon ausgegangen, dass das Netzwerk 4 ein
Ethernet-Netzwerk ist. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen
Netzwerktypen angewendet werden. Das Endgerät 1 umfasst einen
Prozessor (CPU) 2, der das Endgerät 1 steuert und auf
dem Endgerät 1 Anwendungen
ausführt.
Der Prozessor 2 ist mit einer Steuereinrichtung 5 verbunden,
die bei dieser Ausführungsform
eine Medienzugangssteuerung ("media
access control"-Steuerung – MAC) 3 umfasst.
Die Medienzugangssteuerung 3 steuert auf einer sogenannten
zweiten Netzwerkprotokollebene ("layer
2") die Verbindung
des Endgeräts 1 mit
dem Netzwerk 4. Der Medienzugangssteuerung 3 ist
eine eindeutige Medienzugangssteuerungsadresse (MAC-Adresse) zugewiesen,
durch die sich die Medienzugangssteuerung 3 des Endgeräts 1 von
anderen Medienzugangssteuerungen weiterer Endgeräte in dem Netzwerk 4 unterscheidet.
Die Steuereinrichtung 5 ist mit einer Übertragungseinrichtung 6 einer so
genannten physikalischen Bitübertragungsebene ("physical layer device"-PHY) und einer weiteren Übertragungseinrichtung 7 in
der physikalischen Bitübertragungsebene
verbunden. Die Übertragungseinrichtung 6 und
die weitere Übertragungseinrichtung 7 setzen
die ihnen von der Medienzugangssteuerung 3 übermittelten
Daten in physikalische Signale um, die über ein erstes Verbindungsmedium 8 bzw. ein
weiteres Verbindungsmedium 10 übertragen werden können. Die
Verbindungsmedien können
Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel, Glasfaserkabel, drahtlose Verbindungen
(„wireless
connections") usw.
umfassen. Die Übertragungseinrichtung 6,
die weitere Übertragungseinrichtung 7 und
die Medienzugangssteuerung 3 können zweckmäßig auf einer Netzwerkkarte 17 zusammengefasst
sein.
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Die Übertragungseinrichtung 6 ist über das erste
Verbindungsmedium 8 mit einer Netzwerkkomponente 9 verbunden.
Die weite re Übertragungseinrichtung 7 kann über das
weitere Verbindungsmedium 10 ebenfalls mit der Netzwerkkomponente 9 verbunden
sein. In einem solchen Fall liegt eine Medienredundanz der Verbindung
des Endgerätes
mit dem Netzwerk nur bezüglich
der Verbindungsmedien 8 und 10 vor. In diesem
Fall ist eine entsprechende Netzwerkkomponente 9 einzusetzen,
die bei einem Ausfall eines der Verbindungsmedien intern die Verbindung
mit dem Endgerät
auf das andere Verbindungsmedium umstellt.
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Im
Weiteren soll jedoch der in 1 dargestellte
Fall betrachtet werden, dass die weitere Übertragungseinrichtung 7 über das
weitere Verbindungsmedium 10 mit einer anderen Netzwerkkomponente 11 verbunden
ist. Bei der Netzwerkkomponente 9 und der anderen Netzwerkkomponente 11 kann
es sich jeweils insbesondere um einen Switch, einen HUB oder dergleichen
handeln. Die Netzwerkkomponente 9 und die weitere Netzwerkkomponente 11 sind über ein
anderes Verbindungsmedium 12 miteinander verbunden.
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Im
Betrieb ist jeweils nur die erste Übertragungseinrichtung 6 oder
die weitere Übertragungseinrichtung 7 aktiv.
Die Aktivierung/Deaktivierung der ersten Übertragungseinrichtung 6 und
der weiteren Übertragungseinrichtung 7 wird
bei dieser Ausführungsform
von der Steuereinrichtung 5 bewirkt. Die erste Übertragungseinrichtung 6 und
die weitere Übertragungseinrichtung 7 überwachen
selbständig automatisch,
ob jeweils zu der Netzwerkkomponente 9 und zu der anderen
Netzwerkkomponente 11 über das
entsprechende erste Verbindungsmedium 8 und das weitere
Verbindungsmedium 10 eine fehlerfreie physikalische Verbindung
besteht. Diese Überprüfung wird
Verbindungsstatusüberprüfung ("link status"-Überprüfung) genannt. Bei dieser Überprüfung wird
die der Medienzugangssteuerung 3 zu gewiesene MAC-Adresse
nicht an die erste Netzwerkkomponente 9 und die andere
Netzwerkkomponente 11 übermittelt.
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Dem
Fachmann ist die Funktionsweise der Verbindungsstatusüberprüfung durch
die erste Übertragungseinrichtung 6 und
die weitere Übertragungseinrichtung 7 der
physikalischen Bitübertragungsebene
bekannt. Beispielhaft wird die Verbindungsstatusüberprüfung für das erste Verbindungsmedium 8 erläutert. Es
wird angenommen, dass das erste Verbindungsmedium 8 eine
optische Faser und eine weitere optische Faser umfasst, wie dies
für optische Verbindungsmedien üblich ist.
Die erste Übertragungseinrichtung 6 sendet
auf der optischen Faser Prüfsignale
nach einem Protokoll der Bitübertragungsebene
an die Netzwerkkomponente 9. Bei normalem Betrieb "reflektiert" die Netzwerkkomponente 9 die
Prüfsignale
auf der weiteren optischen Faser. Wird nun weiter angenommen, dass
das erste Verbindungsmedium 8 von der Netzwerkkomponente 9 gelöst wird,
so erkennt sie an dem Ausbleiben der "reflektierten" Prüfsignale,
dass das erste Verbindungsmedium 8 gestört ist. Es liegt ein sogenannter "far end fault" vor.
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Dadurch
dass entweder nur die erste Übertragungseinrichtung 6 oder
nur die weitere Übertragungseinrichtung 7 zu
einer Zeit aktiv ist und Datenpakete mit der der Medienzugangssteuerung 3 zugewiesenen
MAC-Adresse verschickt, ist es dem Netzwerk 4 möglich, sich
so zu konfigurieren, dass alle an das Endgerät 1 gerichteten Datenpakete
von dem Netzwerk 4 zu der aktiven Übertragungseinrichtung der
physikalischen Bitübertragungsebene übermittelt werden.
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Zur
Erläuterung
der Reaktion auf einen Medienausfall wird angenommen, dass zunächst die erste Übertragungseinrichtung 6 aktiv
ist. Tritt nun eine Störung
des ersten Verbindungsmedi ums 8 auf, so stellt die erste Übertragungseinrichtung 6 bei
der Verbindungsstatusüberprüfung fest,
dass keine fehlerfreie physikalische Verbindung mehr zu der Netzwerkkomponente 9 besteht.
Der Ausfall der Verbindung wird der Steuereinrichtung 5 übermittelt,
wie durch einen Pfeil 13 angedeutet ist. Darüber hinaus kann
der Fehler auch an andere Bestandteile des Endgeräts zum Beispiel
den Prozessor und an Programme höherer
Netzwerkprotokollebenen ("layer"), insbesondere die
Anwendungsebene, übermittelt werden,
wie dies durch Pfeil 14 angedeutet ist.
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Sobald
der Verbindungsmedienausfall von der ersten Übertragungseinrichtung 6 festgestellt
ist, wird diese von der Steuereinrichtung 5 deaktiviert und
die weitere Übertragungseinrichtung 7 aktiviert, wie
dies durch andere Pfeile 15a und 15b angedeutet ist.
Um dem Netzwerk 4 zu ermöglichen, dass die für das Endgerät 1 bestimmten
Datenpakete fortan über das
weitere Verbindungsmedium 10 zu dem Endgerät 1 übermittelt
werden, wird zunächst
ein Ausfalltelegramm über
die andere Netzwerkkomponente 11 an das Netzwerk gesandt.
Das Ausfalltelegramm ist vorteilhaft als sogenannte "multicast message" ausgestaltet. Sie
enthält
somit keinen Adressaten und wird an alle Netzwerkkomponenten des
Netzwerkes 4 weitergeleitet, die auf der physikalischen
Bitübertragungsebene
dem Netzwerk gehören.
Das Netzwerk kann auch von einem Teilnetzwerk gebildet sein, dass
alle diejenigen Netzwerkkomponenten umfasst, an die eine Weiterleitung
von Datenpaketen des Endgeräts 1 ausschließlich auf
MAC-Adressenbasis erfolgen kann.
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Anhand
des Ausfalltelegramms, das die der Medienzugangssteuerung 3 zugewiesene MAC-Adresse
umfasst, können
intelligente Netzwerkkomponenten des Netzwerkes, insbesondere Switches
und andere Endgeräte,
ihre MAC-Adressen-Adressierungstabellen an passen. Der Begriff intelligente
Netzwerkkomponente umfasst hier jede Netzwerkkomponente, die die
von ihr empfangenen Datenpakete analysieren kann und in der Lage
ist, in irgendeiner Weise auf ein Ergebnis der Analyse zu reagieren.
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Die
Analyse des Ausfalltelegramms und die Anpassung der Adressierungstabellen
kann von jeder intelligenten Netzwerkkomponente vorgenommen werden
oder beispielsweise vornehmlich von der Netzwerkkomponente 9 erfolgen.
Diese kann dann nach einem Ausfall der Verbindung mit dem Endgerät 1 über das
erste Verbindungsmedium 8 und die erste Übertragungseinrichtung
alle an das Endgerät 1 gerichteten
Datenpakete über
das andere Verbindungsmedium 12 an die andere Netzwerkkomponente 11 weiterleiten.
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Für den Fall,
dass die beiden Übertragungseinrichtungen 6 und 7 über die
Verbindungsmedien 8 und 10 nur mit der einen Netzwerkkomponente 9 verbunden
sind, muss eine Weiterleitung der an das Endgerät 1 gerichteten Datenpakete
intern in der Netzwerkkomponente 9 auf einen mit dem weiteren Verbindungsmedium 10 verbundenen
Anschluss erfolgen.
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Die
Deaktivierung und die Umschaltung von der ersten Übertragungseinrichtung 6 auf
die weitere Übertragungseinrichtung 7 kann
auf der zweiten Netzwerkprotokollebene ("layer 2") oder auf einer höheren Netzwerkprotokollebene
bewirkt werden. Die Umschaltung kann auch von einer Steuereinrichtung 5 bewirkt
werden, die die Medienzugangssteuerung 3 nicht umfassen
muss. Ebenso kann das Ausfalltelegramm auf der zweiten Netzwerkprotokollebene (layer
2), beispielsweise mittels einer elektronisch programmierbaren Logikvorrichtung
(EPLD-"Elektronic
Programable Logis Devise")
oder eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC-„Application-Specific
In tegrated Circuit"),
oder auf einer höheren
Netzwerkprotokollebene erzeugt werden. Das Ausfalltelegramm kann
so kodiert sein, dass allen Kommunikationspartnern der Medienausfall
und Umschaltfall angezeigt wird. Das Erzeugen des Ausfalltelegramms
kann auch das Einlesen von Daten aus einem Speicher, insbesondere
aus einem Nur-Lese-Speicher ("read
only memory" – ROM), umfassen.
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Zusätzlich zu
der Überwachung
eines Ausfalls eines der Verbindungsmedien 8, 10 kann
ein Fehler der Netzwerkkomponente 9 und der anderen Netzwerkkomponente 11 überwacht
werden. Handelt es sich bei der Netzwerkkomponente 9 und
der anderen Netzwerkkomponente 11 jeweils um eine intelligente
Komponente, so kann eine Ausfallerkennung mittels zyklischen Sendens
von Anfragen an die Netzwerkkomponente 9 und die andere
Netzwerkkomponente 11 nach einem Standardprotokoll, wie ICMP
(Internet Control Message Protocol), sichergestellt werden. Die
korrekt funktionierende Netzwerkkomponente 9 und die andere
Netzwerkkomponente 11 beantworten die Anfragen.
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2 zeigt
einen erweiterten Ausschnitt aus dem Netzwerk 4. Gleiche
Merkmale der 1 und 2 sind mit
identischen Bezugszeichen versehen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 können eine
zusätzliche
Netzwerkkomponente 23 oder weitere Endgeräte 25, 26,
die ebenfalls direkt mit der Netzwerkkomponente 9 bzw.
der anderen Netzwerkkomponente 11 verbunden sind, auf die
oben beschriebene Weise abgefragt werden.
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Die
Abfrage zur Ausfallerkennung über
eine ICMP-Kommunikation kann wahlweise auch von einer Anwendung
des Endgeräts 1 im
sogenannten Watchdog-Verfahren (Überwachungsverfahren)
getriggert oder veranlaßt
werden. Hierbei wird in bestimmten Zeitintervallen eine Kommunikation
nach dem Standardproto koll, insbesondere eine ICMP-Kommunikation,
mit der zusätzlichen
Netzwerkkomponente 23 oder einem der weiteren Endgeräte 25, 26 durchgeführt, die
direkt mit der Netzwerkkomponente 9 verbundenen sind, mit
der die hier als aktiv angenommene Übertragungseinrichtung 6 verbunden
ist. An dem Ausbleiben dieser Kommunikation nach dem Standardprotokoll
kann von der zusätzlichen
Netzwerkkomponente 23 oder dem einen der weiteren Endgeräte 25, 26 ein
Ausfall der Netzwerkkomponente 9 festgestellt werden.
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Ebenso
kann die Anwendung des Endgeräts 1 ein "Andere-Komponente-Ausfallsignal" erzeugen, wenn keine
Anfragedatenpakete nach dem Standardprotokoll, die von der anderen
Anwendung der zusätzlichen
Netzwerkkomponente 23 oder dem einen der weiteren Endgeräte 25, 26 initiiert
werden, mehr von der Anwendung des Endgeräts 1 empfangen werden.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1 waren die erste Übertragungseinrichtung 6 und
die weitere Übertragungseinrichtung 7 mit
der Netzwerkkomponente 9 und der weiteren Netzwerkkomponente 11 verbunden. 2 zeigt
eine Ausführungsform
eines zusätzlichen
Endgeräts 24,
bei dem die Übertragungseinrichtung 28 und
die weitere Übertragungseinrichtung 29 mit
der zusätzlichen
Netzwerkkomponente 23 über
zwei unterschiedliche Verbindungsmedien, ein Verbindungsmedium 40 und
ein weiteres Verbindungsmedium 41, verbunden sind. Auch
diese Ausführungsform
sichert eine Verbindungsmedienredundanz für das zusätzliche Endgerät 24.
Bei dieser Ausführungsform
geht jedoch die Redundanz bei einem totalen Ausfall der zusätzlichen
Netzwerkkomponente 23 verloren.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform war die Netzwerkkomponente 9 über das
andere Verbindungsmedium 12 direkt mit der anderen Netzwerkkomponente 11 verbunden.
In 2 ist eine andere Netzwerktopologie gezeigt. Die
zusätzliche Netzwerkkomponente 23 ist
zwischen der Netzwerkkomponente 9 und der anderen Netzwerkkomponente 11 angeordnet
und unterbricht das andere Verbindungsmedium 12 in zwei
Teile 12a, 12b. Es können noch weitere zusätzliche
Netzwerkkomponenten zwischen der Netzwerkkomponente 9 und
der anderen Netzwerkkomponente 11 angeordnet werden, solange
sichergestellt ist, dass "multi
cast"-Datenpakete von
den weiteren zusätzlichen
Netzwerkkomponenten von der Netzwerkkomponente 9 zu der
weiteren Netzwerkkomponente 11 und umgekehrt weitergeleitet
werden.
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Sollen
zusätzlich
zu dem Endgerät 1 die
weiteren Endgeräte 25, 26 medienredundant
mit dem Netzwerk verbunden werden, so ist es sinnvoll, dass von
jedem der weiteren Endgeräte 25, 26 ein
erstes Verbindungsmedium 43 zu der Netzwerkkomponente 9 und
ein zweites Verbindungsmedium 44 zu der anderen Netzwerkkomponente 11 vorgesehen
wird. Auf diese Weise wird eine übersichtliche
Netzwerktopologie geschaffen und zusätzlich erreicht, dass alle
Endgeräte
auch bezüglich
eines Ausfalls der Netzwerkkomponente 9 bzw. der anderen
Netzwerkkomponente 11 redundant mit dem Netzwerk verbunden sind.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Erfindung. Gleiche Merkmale in den 1 bis 3 sind
mit identischen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform
ist zwischen der ersten Übertragungseinrichtung 6 und
der weiteren Übertragungseinrichtung 7 einerseits
und der Medienzugangssteuerung 3 andererseits eine Steuereinrichtung 5 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 5 kann eine elektronisch programmierbare
Logikvorrichtung (EPLD) oder ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis
(ASIC) sein. Bei dieser Ausführungs form werden
die Ausfallsignale der ersten Übertragungseinrichtung 6 und
der weiteren Übertragungseinrichtung 7 an
die Steuereinrichtung 5 übermittelt. Im Falle eines
Verbindungsmedienausfalls bewirkt die Steuereinrichtung 5 eine "Umschaltung". Dieses kann für darüber liegende
Netzwerkebenen ("layers") transparent geschehen.
Hierdurch wird eine sehr schnelle Umschaltung ermöglicht.
Die Umschaltzeit liegt in einem Bereich von etwa 1 ms und darunter.
Zusätzlich kann
auch bei dieser Ausführungsform
der Verbindungsmedienausfall an die höheren Netzwerkprotokollebenen übermittelt
werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung. Gleiche Merkmale der 1 bis 4 sind
mit identischen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform
umfasst ein Redundanzschalter 20 die erste Übertragungseinrichtung 6,
die weitere Übertragungseinrichtung 7 und
die Steuereinrichtung 5. Der Redundanzschalter 20 ist
von dem Endgerät 1 getrennt
und mit diesem über
eine Verbindungsleitung 21 verbunden. Ein von dem Endgerät 1 an
das Netzwerk 4 zu versendendes Datenpaket umfasst die MAC-Adresse,
die der Medienzugangssteuerung 3 des Endgeräts 1 zugeordnet
ist. Eine Analyseeinrichtung 22 des Redundanzschalters 20,
die mit der Steuereinrichtung 5 verbunden ist, ermittelt
die MAC-Adresse, die für
die Erzeugung des Ausfalltelegramms benötigt wird, anhand des zu versendenden Datenpakets.
Die Steuereinrichtung 5 wirkt in der Weise, wie es oben
für die
Ausführungsform
nach 1 beschrieben wurde. Mit dem Redundanzschalter 20 können nicht
redundant ausgelegte Endgeräte einfach
medienredundant mit dem Netzwerk 4 verbunden werden.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung ähnlich
zu der der 4 dargestellt. Gleiche Merkmale
in den 4 und 5 sind mit identischen Bezugszeichen
verse hen. Zusätzlich
zu der Ausführungsform
nach 4 umfasst der Redundanzschalter nach 5 eine
zusätzliche Übertragungseinrichtung 31 der
physikalischen Bitübertragungsebene,
die mit der Steuereinrichtung 5 verbunden ist. Die zusätzliche Übertragungseinrichtung 31 ist über ein
zusätzliches
Verbindungsmedium 33 mit einer anderen Übertragungseinrichtung 32 der
physikalischen Bitübertragungsebene
verbunden. Die andere Übertragungseinrichtung 32 ist
von der Netzwerkkarte 17 umfasst. Die Ausführungsform
nach 5 zeichnet sich dadurch aus, dass der Redundanzschalter 20 so
ausgebildet ist, dass er mit dem nicht redundant ausgelegten Endgerät 1 verwendet werden
kann, um das Endgerät 1 medienredundant mit
dem Netzwerk 4 zu verbinden. Ferner umfasst die Steuereinrichtung 5 bei
dieser Ausführungsform
die Analyseeinrichtung 22, wie dies durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist.