在通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)報文的抗干擾傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通信網(wǎng)絡，其具有為了交換數(shù)據(jù)報文而相互連接的多個網(wǎng)絡部 件，其中，所述通信網(wǎng)絡具有第一子網(wǎng)和第二子網(wǎng)，并且每個網(wǎng)絡部件與兩個子網(wǎng)連接。本 發(fā)明還涉及一種用于在這種通信網(wǎng)絡中運行的網(wǎng)絡部件以及一種用于在這種通信網(wǎng)絡中 的數(shù)據(jù)報文的抗干擾傳輸?shù)姆椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 目前，網(wǎng)絡部件、即能夠連接到通信網(wǎng)絡并且經(jīng)由通信網(wǎng)絡通過傳輸相應的數(shù)據(jù) 報文來交換數(shù)據(jù)的能聯(lián)網(wǎng)的設備在許多技術(shù)領(lǐng)域中、例如在裝置的自動化中得到了應用。 下面，不僅將能聯(lián)網(wǎng)的終端設備，而且將用于在通信網(wǎng)絡中控制和管理數(shù)據(jù)報文的傳輸?shù)?這種設備，即例如所謂的"交換機"、"橋接器"、"集線器"、"路由器"，視為網(wǎng)絡部件。
[0003] 許多自動化地運行的裝置要求很高程度的故障安全保護。這種要求對用來將這種 裝置的網(wǎng)絡部件彼此連接的通信網(wǎng)絡有很嚴重的影響。因此，通常將這些通信網(wǎng)絡設計為 冗余的，也就是說，即使在通信網(wǎng)絡內(nèi)的一個網(wǎng)絡連接發(fā)生故障的情況下，也保證各個網(wǎng)絡 部件之間的數(shù)據(jù)報文的可靠傳輸。下面，術(shù)語"通信連接"包括各個網(wǎng)絡部件之間的整個傳 輸路徑，也就是說，不僅包括存在的（有線或無線的）傳輸介質(zhì)，還包括其到各個網(wǎng)絡部件 的物理的、通信技術(shù)的和邏輯的連接（例如接口、通信裝置、協(xié)議棧）。
[0004] 這種設計為故障安全的通信網(wǎng)絡的使用的一個示例是自動化裝置，其中，能聯(lián)網(wǎng) 的自動化設備經(jīng)由通信網(wǎng)絡彼此連接，以交換數(shù)據(jù)報文。自動化裝置用于系統(tǒng)、例如供電網(wǎng) 或電氣開關(guān)裝置的自動化，并且通常包括布置在相應的裝置、即例如供電網(wǎng)的主要部件附 近的自動化設備（例如所謂的現(xiàn)場設備）。在供電網(wǎng)的情況下，這些主要部件例如可以是電 纜和導線、變壓器、發(fā)電機、電動機或變換器。自動化設備例如可以是安裝在供電網(wǎng)的分站 的所謂的電氣保護設備或者現(xiàn)場控制設備（Fe丨d丨eitgelit)。按照專業(yè)術(shù)語來說，也經(jīng)常將 這種自動化設備稱為所謂的"IED"（ "Intelligent Electronic Device:智能電子設備")。 在此，自動化設備與通信網(wǎng)絡連接，并且經(jīng)由其交換作為有用數(shù)據(jù)包括例如控制命令、關(guān)于 事件（例如閾值違反）的消息、測量值或狀態(tài)消息的數(shù)據(jù)報文。
[0005] 在作為所謂的"平行冗余協(xié)議"（PRP :Parallel Redundancy Protocol)的標準 IEC 62439-3:2012中，描述了通信網(wǎng)絡被設計為故障安全的并且在此即使在一個通信連接 發(fā)生故障的情況下也保證自動化裝置盡可能無縫地繼續(xù)運行的一種可能。在此，通過通信 網(wǎng)絡具有任意拓撲的兩個相互獨立的子網(wǎng)并且每個網(wǎng)絡部件與兩個子網(wǎng)連接，來實現(xiàn)無縫 冗余。兩個子網(wǎng)以并行模式運行，其中，為了發(fā)送數(shù)據(jù)報文，網(wǎng)絡部件一方面向第一子網(wǎng)、 另一方面向第二子網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)報文。被設置為數(shù)據(jù)報文的接收方的網(wǎng)絡部件從子網(wǎng)接收兩 個數(shù)據(jù)報文，其中，其使用首先到達其的數(shù)據(jù)報文，并且丟棄作為副本的稍后到達的數(shù)據(jù)報 文。因為在此兩個數(shù)據(jù)報文使用兩個彼此獨立的傳輸路徑，因此即使在傳輸路徑中的一個 上存在故障的情況下，也確保通過數(shù)據(jù)報文傳送的有用信息經(jīng)由另一個通常仍然正常運行 的傳輸路徑到達接收方網(wǎng)絡部件。
[0006] 根據(jù)PRP標準構(gòu)建的通信網(wǎng)絡的使用例如從歐洲專利申請EP 2148473 A1的說明 書導言部分中已知。
[0007] PRP標準使得能夠使用具有市場上通用的通信接口的簡單地構(gòu)造的通信部件，因 為在此對數(shù)據(jù)通信的控制沒有特別的要求。相對來說，PRP通信網(wǎng)絡的構(gòu)造的缺點是PRP規(guī) 定兩個子網(wǎng)的嚴格的并行結(jié)構(gòu)，由此用于構(gòu)建這種通信網(wǎng)絡的硬件開銷，即例如所需的通 信線纜和交換機的數(shù)量顯著增加。因此，PRP通信網(wǎng)絡的構(gòu)建也與用于其架構(gòu)的相對高的 成本相關(guān)聯(lián)。
[0008] 作為PRP通信網(wǎng)絡的替換解決方案，已經(jīng)提到的EP 2148473 A1提 出了使用根據(jù)同樣在IEC 62439-3:2012中描述的高可用性無縫冗余（HSR : High-availability, Seamless Redundancy)標準的通信網(wǎng)絡。HSR通信網(wǎng)絡以環(huán)狀拓撲構(gòu) 建，其中，每個網(wǎng)絡部件以兩個通信接口連接在環(huán)中。網(wǎng)絡部件沿環(huán)的兩個方向發(fā)出數(shù)據(jù)報 文，接收方網(wǎng)絡部件接收首先到達的數(shù)據(jù)報文，并且丟棄作為副本的其次到達的數(shù)據(jù)報文。 由于閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在所有網(wǎng)絡部件之間總是存在兩個相互獨立的通信路徑，從而即使 在兩個通信路徑中的一個發(fā)生故障的情況下，也確保經(jīng)由相應的另一個傳輸路徑傳輸數(shù)據(jù) 報文。
[0009] 與PRP標準相比，根據(jù)HSR標準構(gòu)建的通信網(wǎng)絡以較少數(shù)量的線纜和交換機 進行應對，然而其從接入的網(wǎng)絡部件需要相對高的用于通信的控制的管理開銷，特別 是因為必須進行對在環(huán)狀通信網(wǎng)絡中循環(huán)的數(shù)據(jù)報文的識別和消除（環(huán)路防止（Loop Prevention))。因此，可使用的網(wǎng)絡部件相對昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，給出一種用于在通信網(wǎng)絡中冗余地傳輸數(shù)據(jù) 報文的可能，其一方面保證足夠的故障安全保護，另一方面減少用于構(gòu)建通信網(wǎng)絡的設備 或硬件開銷，由此減少成本開銷。
[0011] 上述技術(shù)問題通過上面提及的類型的通信網(wǎng)絡來解決，其中，所述通信網(wǎng)絡包括 以鏈的形式彼此連接的至少一些網(wǎng)絡部件，其中，網(wǎng)絡部件的每個鏈具有直接與第一子網(wǎng) 連接的第一網(wǎng)絡部件，并且具有直接與第二子網(wǎng)連接的第二網(wǎng)絡部件。
[0012] 通過將至少一些網(wǎng)絡部件彼此以鏈狀連接，可以顯著減少構(gòu)建兩個子網(wǎng)必須花費 的開銷。在傳統(tǒng)的PRP網(wǎng)絡構(gòu)建中，例如對于子網(wǎng)中的60個網(wǎng)絡部件，必須設置總共具有 120個通信接口的交換機，而在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建具有鏈長度為3個網(wǎng)絡部件的通信網(wǎng)絡時， 已經(jīng)可以實現(xiàn)所需的網(wǎng)絡接口減少到40個。在鏈長度為20個網(wǎng)絡部件的情況下，甚至僅 僅還需要6個通信接口。通過減少所需的開銷，可以實現(xiàn)顯著的硬件和成本節(jié)約。此外，因 為與HSR標準的環(huán)狀結(jié)構(gòu)不同，在鏈狀構(gòu)造的情況下，不需要對循環(huán)的報文進行識別，因此 還可以使用相對簡單地構(gòu)造的網(wǎng)絡部件。
[0013] 本發(fā)明不限于將所有網(wǎng)絡部件都布置在鏈中。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可以使用不 同長度的鏈。
[0014] 按照根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的一個有利實施方式設置為，所有網(wǎng)絡部件構(gòu)造用 于，在冗余地發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，不僅向第一子網(wǎng)的方向、而且向第二子網(wǎng)的方向發(fā)出數(shù)據(jù)報 文，其中，所發(fā)出的數(shù)據(jù)報文在其有用數(shù)據(jù)內(nèi)容方面相同并且包括指示向其方向發(fā)出數(shù)據(jù) 報文的那個子網(wǎng)的網(wǎng)絡限定符。
[0015] 以這種方式，通過使用兩個獨立的子網(wǎng)，可以相對更抗干擾地傳輸數(shù)據(jù)報文，因為 在子網(wǎng)中的一個中產(chǎn)生干擾的情況下，所關(guān)注的數(shù)據(jù)報文經(jīng)由正常運行的另一個子網(wǎng)到達 接收方網(wǎng)絡部件。
[0016] 關(guān)于這一點，按照根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的另一個有利實施方式，可以設置為，網(wǎng) 絡部件的鏈的第一網(wǎng)絡部件構(gòu)造用于，僅向第一子網(wǎng)發(fā)送其網(wǎng)絡限定符指示第一子網(wǎng)的數(shù) 據(jù)報文，并且網(wǎng)絡部件的鏈的第二網(wǎng)絡部件構(gòu)造用于，僅向第二子網(wǎng)發(fā)送其網(wǎng)絡限定符指 示第二子網(wǎng)的數(shù)據(jù)報文。
[0017] 通過實現(xiàn)這種簡單的通信規(guī)則，可以有效地防止循環(huán)數(shù)據(jù)報文的出現(xiàn)，因為在相 應的子網(wǎng)中，總是僅轉(zhuǎn)發(fā)具有相應的網(wǎng)絡限定符的數(shù)據(jù)報文。由此，在各個網(wǎng)絡部件中能夠 放棄成本過高的對循環(huán)數(shù)據(jù)報文的識別。
[0018] 關(guān)于這一點，還視為根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的有利擴展的是，所述網(wǎng)絡部件構(gòu)造 用于，在接收數(shù)據(jù)報文時，接收尋址到其的在其有用數(shù)據(jù)內(nèi)容方面相同的兩個數(shù)據(jù)報文中 的第一數(shù)據(jù)報文，并且丟棄第二數(shù)據(jù)報文。
[0019] 以這種方式，確保能夠不重復地接收信息。副本的識別例如可以根據(jù)數(shù)據(jù)報文的 發(fā)送方網(wǎng)絡部件的MAC地址和包含在數(shù)據(jù)報文中的唯一的序列號來進行。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的另一個有利實施方式還設置為，在網(wǎng)絡部件的鏈的第一 網(wǎng)絡部件和第二網(wǎng)絡部件之間，布置任意數(shù)量的另外的網(wǎng)絡部件。
[0021] 在鏈中插入盡可能多的網(wǎng)絡部件，使得能夠減少在子網(wǎng)中的交換機處需要的通信 接口（端口）的總數(shù)，由此減少通信網(wǎng)絡所需的硬件需求。
[0022] 因為在根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的構(gòu)造中，為了使硬件開銷更少（由此也使子網(wǎng)的 構(gòu)建的成本更低），有意地容忍，對于布置在同一個鏈內(nèi)的那些網(wǎng)絡部件，不存在冗余的通 信連接，因此按照根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的另一個有利實施方式設置為，所述網(wǎng)絡部件這 樣布置在鏈中，使得在同一個鏈的網(wǎng)絡部件之間的數(shù)據(jù)報文的直接傳輸?shù)臄?shù)量最少。
[0023] 換句話說，在該實施方式中，將本來從不或者僅非常少地彼此直接通信的這些網(wǎng) 絡部件組合在同一個鏈內(nèi)，因為在這些網(wǎng)絡部件中，在傳輸數(shù)據(jù)報文時不一定需要冗余。然 而，哪些網(wǎng)絡部件由于其直接通信行為而被布置在同一個鏈內(nèi)的最終決定由通信網(wǎng)絡的操 作者負責；例如，雖然很少彼此直接通信、但是在進行通信時必須在它們之間交換重要的信 息的這些網(wǎng)絡部件也不應當布置在同一個鏈內(nèi)。
[0024] 替選地或者附加地，按照根據(jù)本發(fā)明的通信網(wǎng)絡的另一個有利實施方式，還可以 設置為，在其之間存在最短傳輸路徑的網(wǎng)絡部件布置在同一個鏈中。
[0025] 以這種方式，可以進一步降低同一個鏈內(nèi)的傳輸路徑、通常是網(wǎng)線的故障易感性， 從而通過這