用于传输时间关键数据的方法、通信系统和耦合通信设备与流程

本发明涉及一种用于传输时间关键数据的方法，该方法尤其适用于工业自动化系统，以及涉及一种用于执行该方法的通信系统和耦合通信设备。

背景技术：

1、工业自动化系统通常包括多个由工业通信网络彼此联网的自动化设备，并且用于在制造自动化或过程自动化的范围内控制或调节设施、机器或设备。由于工业自动化系统的时间紧迫性框架条件，自动化设备之间的通信主要使用如profinet、profibus、实时以太网(real-time-ethernet)或时间敏感网络(time-sensitive networking-tsn)等实时通信协议。尤其是控制服务和应用程序能够被自动地并根据工作量分配到工业自动化系统当前可用的服务器或虚拟机上。

2、工业自动化系统的计算机单元或自动化设备之间的通信链路中断会导致服务请求的传输出现不期望的或不必要的重复。此外，未传输或未完全传输的信息可能会阻碍工业自动化系统过渡到或保持在安全运行状态。

3、在基于以太网的通信网络中，如果为了传输带有大量用户数据内容但无特殊服务质量要求的数据帧而竞争性地索求用于传输有实时性要求的数据流或数据帧的网络资源，就会出现问题。这最终会导致有实时性要求的数据流或数据帧无法根据所要求的或所需的服务质量进行传输。

4、通过通用地址冗余协议(common address redundancy protocol-carp)，能够将应用服务器、防火墙或路由器作为高可用性系统实现。为此，提供至少两个彼此冗余的系统组件，它们能够承担相同的任务，并被分配到相同的子网。冗余系统组件各自有唯一的ip和mac地址，并构成一个设备联合体。该设备联合体也配有ip和mac地址，其他设备或系统通过该地址与设备联合体进行通信。设备联合体中的系统组件承担用于完成设备联合体任务的主(master)角色，而其他系统组件则承担从属(slave)角色。如果带有主角色的系统组件发生故障，目前被分配为从属角色的系统组件将接管其任务，并可通过分配给设备联合体的ip或mac地址连接。

5、在路由中的部分路段故障能够通过动态路由或选择替代路段简单地得以补偿，而在终端设备中配置的默认网关的故障则更成问题。如果默认网关不作为终端设备的第一路由器提供，则原则上无法从受影响的子网开始进行路由。通过热备份路由器协议(hotstandby router protocol-hsrp)，可将多个路由器组合成设备组，并通过该设备组实现为逻辑路由器。该逻辑路由器配有ip和mac地址，通过该地址能够连接选定的设备组的主路由器。所有其他路由器代表次路由器并暂时无法通过分配给逻辑路由器的ip或mac地址连接。主路由器通过按标准每3秒发送一次的多播消息向次路由器发出其功能准备就绪的信号。如果较长时间，如10秒，未收到这些多播消息，则会选择目前的次路由器作为新的主路由器，并将分配给逻辑路由器的ip或mac地址绑定到其网络接口上。

6、通过虚拟路由器冗余协议(virtual router redundancy protocol-vrrp)也能够解决默认网关或终端设备第一路由器故障造成的问题。与hsrp不同的是，vrrp使得物理路由器的ip地址能够作为通过设备组实现的逻辑路由器的ip地址使用。

7、ep 3 646 559 b1涉及一种用于检查在具有多个自动化单元的工业自动化系统内传输的数据报的方法，其中需要检查的数据报从自动化单元通过各自用于检查的防火墙接口传输到防火墙系统，并在那里根据规则被检查。该防火墙系统由数据处理系统内提供的至少一个虚拟机构成，所述数据处理系统包括多个计算机单元。为了传输需要检查的数据报，在各自的防火墙接口和防火墙系统之间分别建立数据链路层隧道。需要检查的数据报和至少已被成功检查的数据报均在各自的数据链路层隧道内传输。

8、ep 3 035 606 al描述了一种用于在包括至少两个虚拟局域网的通信网络中进行数据传输的方法，其中，数据流分别被分配数据流单独目标设备标识符。当数据流从分配给第一虚拟局域网的源通信设备传输到分配给第二局域网的目标通信设备时，分配给第一虚拟局域网内数据流的标识符被转换成分配给第二虚拟局域网内数据流的标识符。

9、在先的国际专利申请wo 2021/239371al中已知一种用于传输时间关键数据的方法，其中，数据报从第一子网中的第一通信设备通过第三子网发送到第二子网中的第二通信设备。第一子网和第三子网通过第一交换机连接，并且第二子网和第三子网通过第二交换机连接。数据报通过第一虚拟局域网的标识符和优先级说明从第一通信设备转发到第一交换机。第一交换机将第一通信设备发送的数据报分别被封装在通过第三子网分配给数据流的数据帧中，并在数据帧中插入第二虚拟局域网的标识符。

10、根据上述在先国际专利申请wo 2021/239371 al，通过第二虚拟局域网标识符，在第三子网中沿着选择的路径预留资源。第二交换机从已接收的数据帧中提取封装在分配给数据流的数据帧中的数据报，并通过第一虚拟局域标识符和优先级说明将已提取的数据报转发给第二通信设备。

11、us2020/084144 al描述了一种方法，其中，在冗余网关装置上接收网络流量，该冗余网关装置根据冗余网关协议设置。冗余网关装置上已接收的已知单播流量通过根据隧道协议建立的隧道从冗余网关装置转发到隧道端点。如果冗余网关装置根据冗余网关协议是主网关，则广播流量、未知单播流量和多播流量将通过隧道转发到隧道端点。如果冗余网关装置根据冗余网关协议是备份网关，则广播流量、未知单播流量和多播流量将被丢弃。

12、ep 3 787 237 al中已知一种用于在冗余可操作通信网络中进行数据传输的方法，该网络至少包括第一子网和第二子网，两个子网分别包括环形拓扑结构中相互连接的通信设备。两个子网中分别提供有带激活的环形控制单元的通信设备。两个子网通过两个耦合链路相互连接，两个耦合链路分别连接两个耦合通信设备。其上连接有选择的耦合通信设备的耦合链路在故障发生前作为未激活备用耦合链路运行，而另一条耦合链路则作为激活的主耦合链路运行。与主耦合链路连接的耦合通信设备向选择的耦合通信设备传输状态数据报，该状态数据报还附加地包括关于与主耦合链路连接的各耦合通信设备是否包括可激活的环形控制单元的配置信息。

13、在数据链路层子网之间进行透明的数据报传输时，数据报在该子网中通过根据osi第2层的交换方式转发，而数据报在其中通过根据osi第3层的路由方式转发的网络层或称交换层的子网之间进行透明的数据报传输时，对原始信息未经伪造地传输不是唯一重要的。更重要的是在使用隧道协议时，要求通过网络隧道进行的数据传输在应对系统组件故障时是稳固的。

14、原则上，能够根据ietf rfc8365(见https://datatracker.ietf.org/doc/htmf/rfc8365)通过以太网虚拟专用网络(ethernet vpn-evpn)实现相互冗余的隧道端点。然而，要实现这一构思需要巨大投入，特别是在公共5g移动网络中，或者对于在较简单的自动化网络中应用这一构思则过于复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，创建一种用于通过网络层转接网络透明传输时间关键数据的低投入可实现的方法，该方法可对系统组件的故障进行补偿，并提供用于执行该方法的合适的实施方式。

2、该发明目的通过根据本发明具有权利要求1所述特征的方法，具有权利要求11所述特征的通信系统和通过具有权利要求12所述特征的耦合通信设备实现。本发明有利的改进在从属权利要求中给出。

3、根据本发明的用于传输时间关键数据的方法，数据报从第一子网中的第一通信设备通过第三子网发送到第二子网中的第二通信设备。第一和第三子网至少通过第一和第二路由器连接，而第二和第三子网至少通过第三路由器连接。在第一和第二子网内，数据报分别通过交换方式转发。与此相对，第三子网内的数据报通过路由方式转发。

4、此外，根据本发明，第一子网具有环形拓扑结构并至少包括连接到第一路由器的第一耦合通信设备和连接到第二路由器的第二耦合通信设备。第二子网包括第三耦合通信设备，该第三耦合通信设备与第三路由器连接并配有网络层地址。此外，第一和第二耦合通信设备在彼此间选择主耦合通信设备。两个耦合通信设备或主耦合通信设备配有共同的虚拟网络层地址。未被选定为主通信设备的第一或第二耦合通信设备作为储备耦合通信设备运行。耦合通信设备尤其是交换机。

5、根据本发明，第一和第二耦合通信设备通过虚拟路由器冗余协议(vrrp)在彼此间选择主耦合通信设备。有利地，第一和第二耦合通信设备的虚拟网络层地址也能够通过vrrp提供。为了使用数据链路层隧道，借助vrrp通告在第一子网中传播关于第一耦合通信设备和第二耦合通信设备的虚拟网络层地址的信息。

6、根据本发明，至少在主耦合通信设备和第三耦合通信设备之间，经第一或第二路由器以及第三路由器，通过第三子网建立数据链路层隧道。从第一通信设备发送到第二通信设备的数据报被封装在数据链路层隧道内的隧道数据帧中，尤其分别通过将数据报插入到隧道数据帧的有效载荷数据字段封装。用第一和第二耦合通信设备的虚拟网络层地址配置数据链路层隧道的第一端点。与此相对，用第三耦合通信设备的网络层地址配置数据链路层隧道的第二端点。隧道数据帧是vxlan帧或数据报的第二层隧道帧，将从第一通信设备发送到第二通信设备的数据报分别封装在隧道数据帧中。

7、根据本发明，第一子网具有环形拓扑结构，并且第一子网内的数据报根据媒体冗余协议(media redundancy protocol-mrp)传输。当对主耦合通信设备的选择发生变化或主耦合通信设备出现故障时，发出mrp互连拓扑变化(mrp-interconnection-)信号。通过发出mrp互连拓扑变化信号，在第一子网的全部通信设备(尤其能够是交换机或网桥)中触发重新学习通信设备各自的数据链路层地址表。这样，第一子网内的通信设备能够在其配置上快速而可靠地对于改变作为主耦合通信设备运行的耦合通信设备的选择做出调整。

8、因此，本发明能够使对相互冗余的隧道端点进行简单、自动的配置，以及对第一子网中受此影响的的通信设备进行自动的重新配置。这样，时间关键数据就能够冗余并透明地通过网络层转接网络传输，而不会因单个隧道端点故障导致数据链路层隧道中断。通过使用vrrp选择主耦合通信设备，并为第一和第二耦合通信设备或为主耦合通信设备提供虚拟网络层地址，能够取得可靠和低投入的实施。此外，利用本发明，原则上能够使用任意数量的相互冗余隧道端点。选择主耦合通信设备和提供虚拟网络层地址并不局限于两个耦合通信设备，而是能够毫无问题地扩展到更多数量的相互冗余的耦合通信设备。

9、根据本发明的特别优选实施例，至少第一和第二耦合通信设备形成耦合通信设备组，该耦合通信设备组分配给虚拟数据链路层隧道端点。对此，来自相同的被分配给虚拟数据链路层隧道端点的组的耦合通信设备彼此间分享关于耦合通信设备各自的运行状态的信息，并利用这些信息针对故障监视主耦合通信设备。当先前激活的主耦合通信设备发生故障时，所有储备耦合通信设备会在彼此间选择新的主耦合通信设备。

10、例如，第一通信设备能够在发送给第二通信设备的数据报中插入虚拟局域网标识符以及优先级说明。有利地，利用第一虚拟局域的标识符和优先级说明，数据报从第一通信设备被转发到主耦合通信设备。主耦合通信设备随之将第一通信设备发送的数据报分别封装在隧道数据帧中。与此相对，第三耦合通信设备从已接收的隧道数据帧中提取封装在隧道数据帧中的数据报，并利用虚拟局域网标识符和优先级说明将已提取的数据报转发给第二通信设备。这样，用于传输数据报(特别是osi第2层网络中的数据报)的虚拟局域网标识符和优先级说明，也能够透明地用于叠加的osi第3层转接网络。

11、第一和第二子网能够分配给profinet单元，而第三子网能够是基于ip的转接网络。数据报是profinet帧。由于上述用于配置隧道端点的方法也能够很容易地在移动移动无线电网络的隧道端点中实现，第二子网能够包括移动无线电网络，特别是5g移动无线电网络，而第三子网则是基于ip的转接网络。

12、优选地，通过mrp_intopologychange帧发出mrp互连拓扑变化信号，并且数据链路层地址表分别被设计为转发数据库(forwarding database)。在这种情况下，通过发出mrp互连拓扑变化信号，在第一子网的全部通信设备中触发重新学习通信设备各自的转发数据库。根据本发明的另一个有利实施例，通过发出mrp互连拓扑变化信号，在沿数据链路层隧道的路由器中触发重新学习分配给数据链路层隧道第一端点的至少一个数据链路层地址。

13、根据本发明的通信系统用于执行根据此前描述的方法，并具有第一子网，该第一子网至少包括第一通信设备，第一耦合通信设备和第二耦合通信设备。此外，该通信系统还具有第二子网，该第二子网至少包括第二通信设备和第三耦合通信设备。此外，还提供有第三子网，该第三子网至少包括第一路由器，第二路由器和第三路由器。第一和第三子网至少通过第一和第二路由器连接，而第二和第三子网至少通过第三路由器连接。

14、根据本发明的通信系统的通信设备和耦合通信设备被设计为，在第一和第二子网内通过交换方式转发数据报。与此相对，根据本发明的通信系统的路由器则被设计为，在第三子网内通过路由方式转发数据报。此外，根据本发明的通信系统的第一子网具有环形拓扑结构，并且第一耦合通信设备连接到第一路由器，而第二耦合通信设备连接到第二路由器。此外，第三耦合通信设备与第三路由器连接，前者还具有分配的网络层地址。第一子网设计用于使数据报在第一子网内根据媒体冗余协议(mrp)传输。

15、根据本发明的通信系统的第一和第二耦合通信设备被设计为，可通过虚拟路由器冗余协议(vrrp)在彼此间选择主耦合通信设备，并配有共同的虚拟网络层地址。此外，第一和第二耦合通信设备被设计为，使未被选定为主通信设备的第一或第二耦合通信设备作为储备耦合通信设备运行。此外，根据本发明的通信系统的第一和第二耦合通信设备被设计为，在对主耦合通信设备的选择发生变化或主耦合通信设备出现故障时，发出mrp互连拓扑变化的信号，并且通过发出mrp互连拓扑变化信号，在第一子网的通信设备中触发重新学习通信设备各自的数据链路层地址表。

16、根据本发明的通信系统的耦合通信设备被设计为，在主耦合通信设备和第三耦合通信设备之间，经第一或第二路由器以及第三路由器，通过第三子网建立数据链路层隧道，并且从第一通信设备发送到第二通信设备的数据报被封装在数据链路层隧道内的隧道数据帧中。其中分别封装有从第一通信设备发送到第二通信设备的数据报的隧道数据帧是vxlan帧或数据报的第二层隧道帧。此外，耦合通信设备被设计为，用第一和第二耦合通信设备的虚拟网络层地址配置数据链路层隧道的第一端点。此外，耦合通信设备被设计为，用第三耦合通信设备的网络层地址配置数据链路层隧道的第二端点。

17、根据本发明的耦合通信设备用于执行根据此前描述的方法，并且其设计类似于根据本发明的通信系统的耦合通信设备。