本发明涉及一种用于可冗余操作的工业通信网络的通信设备以及一种用于操作通信设备的方法。
背景技术：
：在分布式工业自动化系统中，在记录、评估和传输测量和控制数据时应该确保，完整的和未经更改的数据特别是在对时间要求严格的工业生产过程中实时存在。要避免有意的、无意的或由技术错误引起的改变，因为这在工业自动化系统内能够导致不一致的系统状态以及伴随经济上严重后果的停工时间的系统故障。附加地，在工业自动化系统的计算单元之间的通信连接的中断可能会导致不期望或不必要地重复服务请求的传输。这造成工业自动化系统的通信连接的额外的负荷，这可能会导致进一步的系统干扰或故障。在工业自动化系统中，通常由具有相对多的、但是相对短的消息的讯息交换引起特殊的问题，由此加剧上述问题。为了能够补偿通信连接或通信设备的失效，通信协议，如高可用性无缝冗余或并行冗余协议被开发用于高可用性的、可冗余操作的工业通信网络。在IEC标准62439-3中定义高可用性无缝冗余（HSR）和并联冗余协议（PRP），并且以极短的恢复时间实现数据包的无损伤的冗余传输。根据高可用性无缝冗余和并行冗余协议，每个数据包由进行发送的通信设备复制，并且以两种不同的路径发送到接收器。通过接收器侧的通信设备，从接收数据流中过滤掉代表副本的冗余数据包。在DE102008017192A1中描述一种用于建立网络的方法，所述网络包括具有一组端口的第一网络用户。所述端口与网络的其它网络用户的端口连接。在第一方法步骤中，将分配给第一网络用户的端口切换到第一操作模式下。在第一操作模式下，能够经由端口接收和发送测试报文。根据另一方法步骤，经由分配给第一网络用户的端口发送测试报文。此外，如果所发送的测试报文中的测试报文没有再次被第一网络用户接收，那么将分配给第一网络用户的端口切换到第二操作模式下。在第二操作模式下，经由分配给所述第一网络用户的端口接收的报文经由剩余的端口转发。以这种方式，能够避免在互联或扩展复杂网络时形成网络环。从EP2282452A1中描述一种用于在环型通信网络内进行数据传输的方法，在所述方法中根据高可用性无缝冗余来进行数据传输，并且通信网络包括至少一个主节点、源节点和目标节点。每个节点具有带有相应的第一和第二相邻节点的第一和第二通信接口。此外，每个节点经由第一通信接口接收数据帧，并且将所接收的数据帧更改或未经更改地经由第二通信接口无额外延迟地进行转发。主节点将第一和第二冗余的数据帧或空的数据包发送给其第一或第二相邻节点。在接收两个冗余的数据帧时，源节点在预定的保留区域中以过程数据来填充相应的数据帧。随后，每个已填充的数据帧立即并且单独地转发给源节点的第一或第二相邻节点。最终，目的节点从冗余的数据帧对中的所接收到的已填充的第一数据帧中提取过程数据。在EP2343857A1中描述一种用于通信网络的网络节点，所述通信网络包括第一子网络和与第一子网络连接的第二子网络。在第一子网络中根据生成树协议进行数据传输期间，为了在第二子网络中进行数据传输，应用与在第一子网络中所应用的协议不同的第二协议。在EP2343857A1中所描述的网络节点设计为用于作为第二子网络的元件，并且设计为用于在第二子网络内进行通信。此外，借助于生成树功能，网络节点设计为用于监控和控制第二子网络的生成树根节点。由此，通过在第一子网络中所应用的生成树协议，第二子网络可被视为虚拟节点。从EP2413538A1中已知一种用于在通信系统中进行冗余通信的方法，所述通信系统包括多个通信网络。通信网络经由至少一个耦合节点相互连接。基于在数据传输之前限定的信息防止源自第一通信网络的数据从第二通信网络向回传输到第一通信网络中。技术实现要素：本发明基于的目的是，提出一种用于可冗余操作的工业通信网络的高效的且低成本的通信设备以及一种用于操作这样的通信设备的方法。根据本发明，所述目的通过一种具有在下文中说明的特征的通信设备以及一种具有在下文中说明的特征的方法得以实现。在下文中说明本发明的有利的改进方案。根据本发明的用于可冗余操作的工业通信网络的通信设备包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的接口。在此，第一和第二发送和接收单元具有相同的网络地址和相同的设备标识符。设备标识符例如能够是MAC地址。信号处理单元与第一和第二发送和接收单元连接。信号处理单元具有用于将待发送的数据包并行转发给两方的发送单元的多路复用器单元以及用于处理由两方的接收单元所接收的数据包的冗余处理单元。冗余处理单元还包括过滤器单元，所述过滤器单元设计为用于检测所接收到的冗余数据包。单向链接的网络节点经由耦合元件与信号处理单元连接。耦合元件优选是高速总线，其它单向链接的网络节点例如能够经由所述高速总线与信号处理单元连接。在工业通信网络内的数据传输例如能够根据高可用性的无缝冗余或根据并行冗余协议进行。此外，根据本发明，信号处理单元经由第一和第二接口与耦合元件连接。在此，第一接口仅设置为用于传输通过第一接收单元接收到的数据包，而第二接口仅设置为用于传输通过第二接收单元接收到的数据包。此外，冗余处理单元包括标识单元，所述标识单元设计为用于将冗余指示符插入所接收到的冗余数据包中。在此，冗余处理单元设计为用于将通过两方的接收单元接收到的数据包以无缓存的方式转发给耦合元件。根据本发明的一个优选的设计方案，数据包包括至少一个数据帧，并且冗余指示符以简单的方式通过数据帧的所插入的无效日期构成。借助根据本发明的通信设备，通过包括管理被缓存的数据包的冗余处理单元或信号处理单元省去接收到的数据包的至今为止通常完整的缓冲。这实现在低功耗的情况下简单和低成本地实现信号处理单元。根据本发明的一个特别优选的改进方案，包括多路复用器单元和冗余处理单元的信号处理单元借助于现场可编程门阵列来实现。在此，耦合元件优选是具有配设的控制器的背板式交换机（BackplaneSwitch）。此外，背板式交换机能够经由至少一个互联连接与至少一个单向链接的网络节点连接。附加地，现场可编程门阵列（FPGA）用于存储具有对所有与耦合元件连接的单向链接的网络节点的说明的表（代理节点表,proxynodetable）。这实现与通信设备连接的、单向链接的网络节点的简单的管理。因此，通信设备能够用作为用于以简单的方式来实现如为HSR/PRP代理（HSR/PRP-Proxy）或HSR/PRP冗余盒（HSR/PRP-RedBox）的设备的基础。借助本发明或其设计方案尤其可能的是，HSP/PRP功能转移到与耦合元件或背板式交换机分离的组件中，所述组件由信号处理单元或FPGA构成。由此能够以有效的方式实现前端解决方案，所述前端解决方案在需要的情况下例如作为HSR/PRP前端设备来补充交换机组件。此外，HSR/PRP功能也能够在媒体模块上集成到用于实时数据传输的模块化以太网交换机中。按照根据本发明的通信设备的一个优选的改进方案，相互冗余的数据包通过统一的序列号标识。此外，为信号处理单元分配存储单元，所述存储单元设计为用于存储已经无错地接收到的数据包的序列号。在此，冗余处理单元设计为用于在接收到新的数据包时检查已经存储的序列号。此外，为耦合元件优选分配检测单元，所述检测单元设计为用于评估所接收到的数据包中的冗余指示符以及用于丢弃具有冗余指示符的数据包。因此，通过冗余处理单元仅进行冗余数据包的标识，而丢弃则在耦合元件侧实施。优选的是，为耦合元件分配计数器单元，所述计数器单元设计为用于记录无错地和有错地接收到的数据包。此外，计数器单元与评估单元连接。评估单元例如设计为用于在无错地和有错地接收到的数据包之间的差低于可预设的阈值时用信号传递无错的冗余网络状态。附加地，评估单元能够设计为用于在无错地接收到的数据包的数量增长并且同时有错地接收到的数据包的数量基本上停滞的情况下用信号传递具有冗余丢失的网络状态。根据本发明的另一设计方案，评估单元还能够设计为用于在无错地和有错地接收到的数据包的数量停滞的情况下用信号传递网络失效。这总体上通过如为HSR/PRP代理或HSR/PRP冗余盒的通信设备实现简单的网络状态诊断。根据用于操作在冗余的工业通信网络中的通信设备的根据本发明的方法，所述通信设备包括至少一个第一和第二发送和接收单元，所述第一和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络的网络连接的接口。在此，第一和第二发送和接收单元具有相同的网络地址和相同的设备识别符。信号处理单元与第一和第二发送和接收单元连接，所述信号处理单元将待发送的数据包并行地转发给两方的发送单元，并且检测由接收单元所接收到的冗余数据包。单向链接的网络节点经由耦合元件与信号处理单元连接。在工业通信网络内，数据包例如能够根据高可用性无缝冗余或根据并行冗余协议传输。按照根据本发明的方法，信号处理单元经由第一和第二接口与耦合元件连接。在此，经由第一接口传输通过第一接收单元接收到的数据包，而经由第二接口传输通过第二接收单元接收到的数据包。此外，信号处理单元将冗余指示符插入所接收到的冗余数据包中，并且将通过两方的接收单元接收到的数据包无缓存地转发给耦合元件。按照根据本发明的方法的一个优选的设计方案，数据包包括至少一个数据帧，并且冗余指示符以简单的方式通过将无效日期插入数据帧中构成。借助根据本发明的方法，省去通过信号处理单元对所接收到的数据包进行至今为止常用的完全缓冲。这也适用于管理已缓存的数据包。优选地，分配给耦合元件的检测单元评估所接收到的数据包中的冗余指示符，并且丢弃具有冗余指示符的数据包。因此通过所述信号处理单元仅进行冗余数据包的标识，而在耦合元件侧丢弃冗余数据包。按照根据本发明的方法的一个优选的设计方案，相互冗余的数据包通过统一的序列号标识。此外，优选在分配给信号处理单元的存储单元中存储已经无错地接收到的数据包的序列号。从而在接收新的数据包时，信号处理单元能够以简单的方式检查所述新的数据包的序列号与已经存储的序列号的一致性。分配给耦合元件的计数器单元优选记录无错地和有错地接收到的数据包。因此，评估单元能够在无错地和有错地接收到的数据包之间的差低于可预设的阈值的情况下用信号传递无错的冗余的网络状态。优选借助于循环冗余校验来确定有错地接收到的数据包。按照根据本发明的方法的另一设计方案，评估单元在无错地接收到的数据包的数量增长并且同时有错地接收到的数据包的数量基本上停滞的情况下用信号传递具有冗余丢失的网络状态。附加地，评估单元例如能够在无错地和有错地接收到的数据包的数量停滞的情况下用信号传递网络失效。这总体上通过如为HSR/PRP代理或HSR/PRP冗余盒的通信设备实现简单的网络状态诊断。附图说明下面借助于附图以一个实施例详细阐述本发明。附图示出：图1示出用于可冗余操作的工业通信网络的通信设备；图2示出通过传统的通信设备处理的数据包流的示意图；图3示出通过根据图1的通信设备处理的数据包流的示意图；图4示出在具有根据并行冗余协议（PRP）的数据传输的通信网络中的根据图1的通信设备；图5示出在具有根据高可用性无缝冗余（HSR）的数据传输的通信网络中的根据图1的通信设备。具体实施方式在图1中所示出的、用于可冗余操作的工业通信网络2的通信设备1包括第一发送和接收单元11和第二发送和接收单元12，所述第一发送和接收单元和第二发送和接收单元分别具有用于工业通信网络2的网络连接的接口，在本实施例中，所述工业通信网络具有两个子网络21。附加或替代于此，通信网络2能够包括以环形结构相互连接的网络节点，所述网络节点在环形结构内冗余地链接到通信网络2上。在图1中所示出的通信设备内，能够根据高可用性无缝冗余或根据并行冗余协议来传输数据包。两个发送和接收单元11、12具有相同的网络地址和相同的MAC地址。通过现场可编程阵列（FPGA）实现的信号处理单元13与第一和第二发送和接收单元11、12连接，所述信号处理单元具有用于将待发送的数据包并行地转发给两个发送单元11、12的多路复用器单元131和用于处理由两个接收单元11、12接收到的数据包40、41的冗余处理单元132。冗余处理单元132包括过滤器单元，所述过滤器单元设计为用于检测所接收到的冗余数据包。多个单向链接的网络节点31-33经由通过背板式交换机实现的耦合元件14与信号处理单元13连接。具有已分配的控制器141的耦合元件14相应地经由互联连接与单向链接的网络节点31-33连接。经由耦合元件14将所产生的数据包4在通过冗余处理单元132处理之后转发给单向链接的目标节点31。信号处理单元13附加地具有存储单元136，在所述存储单元中存储有具有对所有与耦合元件14连接的单向链接的网络节点31-33的说明的表（代理节点表）。借助于现场可编程门阵列实现的信号处理单元13经由第一和第二接口15、16与耦合元件14连接。在此，第一接口15仅设置为用于传输通过第一接收单元11接收到的数据包40，而第二接口16仅设置为用于传输通过第二接收单元12接收到的数据包41。分配给信号处理单元13的冗余处理单元132包括标识单元134，所述标识单元设计为用于将冗余指示符插入所接收到的冗余数据包40、41中。在本实施例中，数据包包括至少一个数据帧。冗余指示符通过将无效日期插入数据帧中构成。此外，信号处理单元13将通过两个接收单元11、12接收到的数据包40、41无缓存地转发给耦合元件14。通过两个接收单元11、12接收到的数据包40、41与经由第一和第二接口15、16转发给耦合元件14的数据包400、401的区别仅在于副本，更确切地说通过所插入的无效日期区分。在图2中示意地示出的、通过传统的通信设备处理的数据包流的情况下，已经通过信号处理单元13丢弃冗余数据包。根据在图2中所示出的传统的通信设备，信号处理单元13仅经由接口15链接到耦合元件14上。在第一和第二发送和接收单元11、12处接收输入的第一数据流71或第二数据流72，所述第一数据流和第二数据流相互冗余，并且分别包括多个连续的数据包。因此，在本示例中，每个数据包作为原始版本存在一次并且作为副本存在一次。在此，相互冗余的数据包通过统一的序列号标识。如果例如在第一数据流71内，作为原始版本的第二数据包40遇到传输错误，那么根据分配给所述数据包40的序列号401在信号处理单元13中确定在第二数据流72中作为副本的相符的数据包41。在此，相符的数据包41具有如遇到传输错误的数据包40的相同的序列号411。因此，在由信号处理单元13定向输出到耦合元件14处的数据流73中，作为原始版本的遇到传输错误的数据包40通过其作为副本的相符的数据包41代替。否则，将相应的数据包的无传输错误的原始版本转发给耦合元件14，而其副本通过信号处理单元13丢弃。对于这类方法，两个输入的数据流71、72的数据包必须在传统的通信设备的信号处理单元13中被完全缓冲。与此相反，在图3中示意地示出的、通过根据图1的通信设备处理的数据流中，在耦合元件14中才丢弃冗余数据包。与在图2中所示出的传统的通信设备不同，根据图3的信号处理单元13经由第一接口15和第二接口16链接到耦合元件14上。根据图3，在第一和第二发送和接收单元11、12处也接收输入的第一数据流71或第二数据流72，所述数据流相互冗余，并且分别包括多个连续的数据包。如之前一样，相互冗余的数据包通过统一的序列号标识。如果在图3中所示出的示例中在第一数据流71内作为原始版本的第二数据包40遇到传输错误，那么同样根据分配给所述数据包40的序列号401在信号处理单元13中确定在第二数据流72中作为副本的、具有相同的序列号411的相符的数据包41。然而，与根据图2的示例不同，输入的两个数据流71、72基本上不改变地作为输出的数据流73、74被转发给耦合元件14。仅输入的第一数据流71的遇到传输错误的第二数据包40经历通过信号处理单元14以插入无效日期的形式进行的更改。通过所述所插入的无效日期区分输出的第一数据流73的第二数据包400与输入的第一数据流71的第二数据包40。相反，输入的第二数据流72的第二数据包41和输出的第二数据流74的第二数据包410是相同的。根据在图3中所示出的示例，作为原始版本的遇到传输错误的数据包400在耦合元件14中才通过其作为副本的相符的数据包410替代。因此，对于这类方法，不要求输入的两个数据流71、72的数据包在信号处理单元113中被完全缓冲。例如足够的是，在根据图1的分配给信号处理单元13的存储单元135中仅存储有已经无错地接收到的数据包的序列号。为了标识接收到的冗余数据包，所述信号处理单元13在接收到新的数据包时以简单的方式检查所述新的数据包的序列号与已经存储的序列号的一致性。在接收到的数据包中的冗余指示符，如无效日期优选通过在图1中所示出的检测单元142评估，所述检测单元被分配给耦合元件14的控制器141，并且丢弃具有冗余指示符的数据包。这例如能够基于循环冗余校验（cyclicredundancycheck）进行。此外，根据图1，计数器单元143被分配给耦合元件14的控制器141，所述计数器单元记录无错地和有错地接收到的数据包。被分配给耦合元件14的控制器141的评估单元144在无错地和有错地接收到的数据包之间的差低于可预设的阈值时用信号传递无错的冗余的网络状态。有错地接收到的数据包优选借助于循环冗余校验来确定。在无错地接收到的数据包的数量增长并且同时有错地接收到的数据包的数量基本上停滞的情况下，评估单元144用信号传递具有冗余丢失的网络状态。在无错地和有错地接收到的数据包的数量停滞的情况下，评估单元144用信号传递网络失效。基于在图1中所示出的通信设备1，根据图4和5能够实现用于PRP或HSR通信网络2的冗余盒，在所述PRP或HSR通信网络中根据高可用性无缝冗余或根据并行冗余协议传输数据包。根据图4，冗余盒1连同其发送和接收单元11、12分别链接到PRP通信网络2的子网络21、22上，所述PRP通信网络包括多个双向链接的PRP网络节点51-53。此外，冗余盒1与多个单向链接的网络节点31-33连接。在图5中所示出的HSR通信网络2包括多个以环形结构经由网络连接211-216相互连接的HSR网络节点61-65。例如HSR网络节点62能够属于上述网络节点之列，所述HSR网络节点被分配给工业生产或过程自动化系统的SCADA系统（supervisorycontrolanddataacquisition，监督控制与数据采集）。此外，根据图5，基于在图1中所示出的通信设备1的冗余盒1还能够接入HSR通信网络2的环形结构中。在这种情况下，冗余盒1借助其发送和接收单元11、12分别链接到HSR通信系统2的网络连接215、216上。类似于图4，冗余盒1附加地与多个单向链接的网络节点31-33连接。前述实施例的特征既能够单独地也能够以所描述的相互组合的方式实现。当前第1页1 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