专利名称：在通信网络中寻址冗余用户的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在通信网络中寻址至少两个相互冗余的用户的系统和方法，其中这些用户始终对应于该通信系统中的一个唯一物理地址。
背景技术：
由US 6392990 B1公开了一种用于处理在网络的接口部件中出现的故障的方法。为了在计算机上运行，该方法设置在具有多个计算机的网络中，其中这些计算机具有用冗余导线连接的、相互冗余的接口单元。该方法通过产生网络中计算机的地址列表，来确保在出现网络故障之后能透明地进行恢复。该计算机周期地检测至一个或多个其它计算机的通信连接，直到该计算机从至少一个计算机那里获得按照后者的网络地址形式的回复。接着，该计算机利用该另一计算机的网络地址来监控至该另一计算机的通信连接，直到必要时该另一计算机不再回复为止。对于计算机没有获得任何回复的情况，该计算机将另一计算机的网络地址分配给冗余接口单元。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提高通信网络内的通信连接的可用性。
该技术问题是通过本发明的系统来解决的。该系统用于在通信网络中寻址至少两个相互冗余的用户，其中所述用户分别始终对应于该通信系统中的第一唯一物理地址，并且一个由相互冗余用户构成的组分别对应该通信系统中的第二唯一物理地址，其中，对于该用户组的冗余用户，对应该组的所述第二地址可以分别作为通信网络中的有效地址而被激活和抑制，其中，设置至少一个上级单元，分别用于在某个时刻对该冗余用户组中的恰好一个用户激活该第二地址，而对该冗余用户组中的其他用户抑制该第二地址。
所述技术问题还通过本发明的方法来解决的。在用于在通信网络中寻址至少两个相互冗余用户的方法中，用户分别始终对应于该通信系统中的第一唯一物理地址，并且一个由相互冗余用户构成的组分别对应于该通信系统中的第二唯一物理地址，其中，对于该用户组的冗余用户，对应于该组的所述第二地址可以分别作为通信网络中的有效地址而被激活和抑制，其中，至少一个上级单元对该冗余用户组中的恰好一个用户激活该第二地址，而对该冗余用户组中的其他用户则抑制该第二地址。
为了提高通信可用性，铺设通常可高度利用的通信总线。这例如通过建立通信环或通过加倍通信导线来达到。为了不仅能控制通信段的故障还能控制通信单元的故障，在很多情况下还冗余地实现通信单元，因为通信单元在可高度利用的通信总线的情况下是下一个薄弱环节。诸如冗余控制单元或具有冗余通信单元的外设单元等与通信总线(直线或环)或冗余通信总线连接的功能单元必须是可以寻址的。在此存在两个对立的要求对于所有应当将冗余掩盖起来的功能，功能单元应当只有一个地址。这种功能例如是连接用单信道连接的过程外设。该地址应当是可以转换的。对于所有应当将冗余公开的功能，功能单元或其通信单元应当有与冗余单元中具有的冗余部件相同数量的多个地址。这样可以进行针对用户的诊断，因为例如在出现故障时有关部件的相应地址可以唯一给定。在维护时以及对于查询功能该要求同样有效。在此，感兴趣的不是冗余部件的共性，而是各部件的状态数据。冗余通信单元通常可以构造为n个信道(n＞1)的。本发明满足所描述的两个表面上矛盾的要求。在此，通信网络中的用户或通信用户是指通信单元，必要时是指通信单元的部分单元。
根据本发明的优选实施方式，设置用于识别至用户的通信段的故障以及识别该用户的故障的上级单元。也就是说，通过上级通信单元(或伙伴单元)监控通信功能。
如果上级单元发现优选信道故障，则该上级单元可以驱使该当前设置为备用的、冗余通信单元的部分单元转换或接管所连接的地址。由此优选的，设置用于从至对应于一个组的用户的通信段中选择一个优选通信段的上级单元。下面将一个相互冗余的用户的组称为冗余组。冗余部分单元的每一个部分单元都具有两个地址。第一地址分别固定分配给该部分单元。另一个地址是第二地址，也就是所谓的可转换地址。该可转换地址在优选信道中被激活，并在所有属于该冗余组的冗余信道中被抑制。在优选信道出现故障时，将可转换地址激活地连接到备用信道上。通过该可转换地址可以获得该组的全部功能。
根据本发明的另一优选实施方式，用于在通信网络中寻址至少两个相互冗余用户的所述系统是工业自动化系统的一部分。对于所有其中分布到冗余信道或冗余通信单元的没有相关性的功能，部件就如同一个信道的部件那样工作。这些功能例如是过程数据读取/写入和过程警告。对于这些功能，冗余网络部件在通信环和冗余通信总线上都如同一个唯一的部件那样工作。其优点是保持冗余被掩盖的状态。在自动化技术中的目标是，只处理冗余外设单元的过程数据或过程警告的伙伴部件不必操心冗余。如果优选信道单元发生故障，则底层通信系统(如以太网)自动重复通信请求，并且另一方面由于可转换地址响应，因此通信通过此前的备用信道进行，而该单信道的通信单元本身不必参与。只有那些必须寻址单个部分单元的功能单元(例如为了诊断和维护)，才必须通过了解该部分单元的地址而具有关于冗余的知识。其优点是，采用与单信道部件的情况相同的装置来读取和写入修理和维护所需的所有信息(如部分单元的位置正确的数据)。由此，从一个信道部件的观点来看也具有保持冗余被掩盖的优点。
为了实现简单的自动寻址，尤其是在系统加速时，根据本发明的另一优选实施例，冗余用户组中的一个用户激活与其对应的通信网络中的第三唯一物理地址，作为在通信网络中有效的、对应于该组的第二地址，而该组中的其余冗余用户则抑制第二地址。
下面，借助附图中所示的实施例详细描述和解释本发明。其中示出了图1是用于在通信网络中寻址两个相互冗余用户的系统，图2是在具有冗余实施的通信总线的通信网络中的具有相互冗余用户的系统，图3是具有两个冗余部分单元的通信单元，图4是用于在通信网络中寻址相互冗余用户的系统，以说明该系统内部的通信关系。
具体实施例方式
图1示出用于在通信网络5中寻址两个相互冗余用户3、4的系统。在根据图1的实施例中，用户3、4是一个功能单元11的相互冗余的通信单元。相互冗余的用户3、4构成一个组6。冗余用户3、4可以通过通信网络5中的通信总线10相互通信。通信总线10连接上级单元7，后者具有通信单元12和功能单元13。为了进行通信而具有不同的通信段8。第一冗余用户3始终对应于通信网络5中的唯一物理地址1。第二冗余用户4始终对应于通信网络5中的另一个唯一物理地址9。相互冗余的用户3、4的组6对应于通信网络5中的另一个唯一物理地址2，对于组6的两个冗余用户3、4的每一个用户，都可以将该地址作为通信网络5中的有效地址而激活和抑制。在根据图1的实施例中，在初始化上级单元7之后进行该激活和抑制。在此，上级单元7向两个冗余用户3、4的一个用户分配地址2，也就是说，对相应的用户3或4激活该地址2。相反，而对另一个用户4或3通过上级功能单元7抑制该地址2。采用这种物理地址1、2、9的对应关系使得既可以通过相互冗余用户3、4的各第一地址1、9分别唯一寻址或应答冗余用户3、4，也可以通过物理地址2寻址组6。在此，物理地址2对应于两个通过冗余用户3、4和相应的总线段构成的通信信道中作为优选信道的那个通信信道。相应的另一个通信信道作为备用信道保留。通信功能由上级单元7进行监控。如果上级单元7揭示利用优选通道的通信出现故障或干扰，则该上级单元驱使该当前被设置为备用的该组用户3或4转换或接管所谓的连接地址2。
在目前的公知系统中，对于相互冗余的单元或者只能为两个单元设置唯一一个相同的地址，或者为优选通道设置一个地址，为备用信道设置一个地址。这样，在优选信道出现故障时，由迄今为止是备用信道的部分通信单元尽快地接管该优选信道以及该优选信道的地址。但从使用者的观点来看整个通信单元变换了地址。但在两个目前公知的方法中，不能合理地解决每个冗余单元都应当可以在网络中被唯一寻址的要求。由此在根据现有技术而公知的方法中，诊断和维护工具不知道在与两个相互冗余通信单元中的哪一个通信单元通信。
图2示出用于在具有冗余总线系统的通信网络中寻址两个相互冗余用户的系统的另一实施例。通信单元22、31、33通过冗余通信段20、21(例如通信总线)相互耦合。通信单元22、31、33满足功能单元23、32、34的通信任务。用于功能单元34的通信单元33是冗余通信单元，其包含两个相互冗余的部分单元35、36。同样，上级功能单元23的通信单元22构造为冗余的上级通信单元。通信的另一个用户是一个信道的功能单元32，后者通过一个信道的通信单元31通信。
通信单元22、31和部分单元35、36分别对应于通信网络中的一个固定的唯一物理地址。在根据图2的实施例中，该物理地址实施为所谓的MAC地址24、25、26、27(MAC＝介质存取控制)。作为MAC地址，通常由48位大的十六进制数表示，并且一般表示通信网络中一个用户的不可更改的标识号。MAC地址是硬件地址，用于唯一识别网络中的结点。根据表示为7层模型的OSI参考模型(OSI＝开放式系统互联)，第二层，即所谓的数据安全层，分为两个子层，其中MAC层是底层。MAC层用于将比特传输层规划组织为信息逻辑组，即所谓的帧，MAC还用于确定错误、控制数据流和识别网络中的计算机。现在为冗余部分单元35、36引入另一个地址28。也就是说，每个部分单元35、36都包含两个地址。相应的第一地址26、27固定地对应于相应的部分单元35或36，而另一地址28则是所谓的可转换地址。对优选信道激活可转换地址28，而对备用信道则抑制该地址。在优选信道或通信段20、21出现故障时，将该第二地址28激活地连接到备用信道。通过该第二地址28可以获得功能单元34的全部功能。
MAC地址层的一种可能实现方式如下两个部分单元35、36中的每一个都包含两个全局唯一的MAC地址26、27或28。在系统第一次接通后首先准备好运行的部分单元35或36自主地激活它的两个地址26、27或28，一个地址作为固定对应的地址26或27，另一个地址作为所谓的连接地址28。随后启动的那个部分单元36或35只激活其固定对应的地址26或27。对该部分单元36或35抑制所谓的连接地址28。但是，该部分单元36或35准备在另一个部分单元35或36出现故障时，接管该另一个部分单元35或36的已连接的MAC地址28。
在图2的实施例中冗余地实现上级通信单元22，也就是说，上级通信单元22通过通信段20借助地址24或通过通信段21借助地址25来应答。上级通信单元22的任务是监控与冗余通信单元33的通信。该监控既针对优选信道(主要)又针对备用信道。在备用信道出现故障时(或者由于总线连接出现故障或者由于相应备用部分单元35或36出现故障)，向上级管理系统告知该故障。在优选信道出现故障时，通过上级功能单元23向相应备用单元35或36发送消息，备用信道成为优选信道。该部分单元35、36保留其固定地址26或27，并激活优选信道的连接地址28。而对以前的优选信道通过内部连接和由上级通信单元22施加抑制其优选信道地址28的任务(如果该地址没有失效并因此在通信技术上不再起作用)。
例如利用下面描述的两种方法中的一种来分配可转换地址在第一种提议的方法中，上级通信单元22管理可转换地址，并在每次首次激活冗余组时分配该可转换地址。从运行开始就在每个部分单元35、36上设置地址26、27，而另一个地址28为0或不起作用。只有当冗余组中的该部分单元35、36投入运行时才使用该第二地址28。在第二种提议的方法中，属于冗余组的通信单元33的每个部分单元35、36从运行开始就设置了两个全局唯一的地址。例如部分单元35获得地址“a+x”，而部分单元36获得地址“b+y”。在接通相互冗余的部分单元35、36时，首先接通的部分单元35激活其可转换地址“x”。随后接通的部分单元36放弃其可转换地址“y”，并将地址“x”作为可转换地址。
诊断和维护工具大多象一个信道的功能单元32那样用一个信道的通信单元31实现。一个信道的通信单元31又对应于一个固定的物理地址29。通信单元31通过交换机30与冗余通信段20或21通信。诊断和维护工具知道冗余通信单元33的两个地址26、27，因为诊断和维护的目标就是诊断各个可更换的部分单元35、36。对于通信请求需要相应硬件单元的单独应答，这用本发明所提议的寻址机制就可以做到。
图3示出具有冗余通信单元的功能单元40的实施例，该冗余通信单元40由两个部分单元41、42组成。部分单元41和42通过通信连接43、44与这里未示出的通信网络中的其它用户通信。可以通过物理地址46、47、48寻址部分单元41、42。此外，内部通信连接45存在于两个部分单元41和42之间。由于所述地址转换不是通过内部通信连接45、而是通过外部通信连接43、44进行的，因此一方面可以控制内部通信连接45的故障，另一方面还可以识别和控制外部通信连接43、44的故障。
图4示出用于在通信网络中寻址相互冗余用户的系统内的通信关系。示出具有由两个部分单元56、57组成的通信单元的功能单元55、具有一个信道的通信单元54的一个信道的通信单元53、以及具有上级通信单元52的上级功能单元51。上级通信单元52可以通过地址60被寻址，并通过交换机58利用冗余通信总线50通信。一个信道的通信单元54可以通过地址61被寻址，并通过交换机59与冗余通信总线50通信。冗余通信单元的部分单元56、57同样通过冗余通信总线50相互通信，并可以通过地址62、63被寻址。
用附图标记67表示的箭头示出在所示系统内的多个通信关系。通过该通信关系交换例如过程数据和过程警告。这些通信关系就冗余通信单元而言用连接地址63工作，就这点来说和与一个信道设备的通信关系是等同的。用附图标记66表示的箭头示出用于维护和诊断的、与通信单元的部分单元56、57的通信关系。此外，该图中还具有未示出的与功能单元55的通信关系。用附图标记65表示的通信关系示出在识别了优选信道出现故障时需要哪些功能用于通信监控，哪些功能用于转换要求。通过这些通信关系还可以识别和通知备用信道上的通信干扰。在所示情况下，部分单元57是备用单元，并因此没有激活其可连接地址63。
总而言之，本发明涉及用于在通信网络5中寻址至少两个相互冗余用户3、4的一种系统以及一种方法，其中用户3、4分别始终对应于通信网络中的第一唯一物理地址1、9。为了提高该通信网络内的通信连接的可利用性，提议将相互冗余用户3、4的组6分别对应于通信网络中第二唯一物理地址2，其中对于该组的冗余用户3、4，可以将与组6对应的第二地址2分别作为通信网络5中的有效地址而激活或抑制，其中设置至少一个上级单元7，分别用于在某个时刻对该组6的冗余用户3、4中的恰好一个用户激活该第二地址2，而对该组6的其它冗余用户3、4则抑制该第二地址2。
权利要求
1.一种用于在通信网络(5)中寻址至少两个相互冗余用户(3，4)的系统，其中，所述用户(3，4)分别始终对应该通信系统(5)中的第一唯一物理地址(1，9)，并且一个由该相互冗余用户(3，4)构成的组(6)分别对应该通信系统(5)中的第二唯一物理地址(2)，其中，对于该组(6)的冗余用户(3，4)，对应于该组(6)的所述第二地址(2)可以分别作为通信网络(5)中的有效地址而被激活和抑制，其中，设置至少一个上级单元(7)，用于分别在某个时刻对该组(6)的冗余用户(3，4)中的恰好一个用户激活该第二地址(2)，而对该组(6)中的其他用户(3，4)抑制该第二地址(2)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上级单元(7)用于识别至所述用户(3，4)的通信段(8)的故障，以及所述用户(3，4)的故障。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述上级单元(7)用于从至对应于一个组(6)的用户(3，4)的通信段(8)中选择一个优选通信段(8)。
4.根据上述权利要求之一所述的系统，其特征在于，该系统是工业自动化系统的一部分。
5.一种用于在通信网络(5)中寻址至少两个相互冗余用户(3，4)的方法，其中，所述用户(3，4)分别始终对应该通信系统(5)中的第一唯一物理地址(1，9)，并且一个由该相互冗余用户(3，4)构成的组(6)分别对应该通信系统(5)中的第二唯一物理地址(2)，其中，对于该组(6)的冗余用户(3，4)，对应于该组(6)的所述第二地址(2)可以分别作为通信网络(5)中的有效地址而被激活和抑制，其中，设置至少一个上级单元(7)，用于分别在某个时刻对该组(6)的冗余用户(3，4)中的恰好一个用户激活该第二地址(2)，而对该组(6)中的其他用户(3，4)抑制该第二地址(2)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述上级单元(7)识别至所述用户(3，4)的通信段(8)的故障，以及所述用户(3，4)的故障。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述上级单元(7)从至对应于一个组(6)的用户(3，4)的通信段(8)中选择一个优选通信段(8)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，冗余用户组中的一个用户激活与该用户对应的通信网络(5)中的第三唯一物理地址，作为在通信网络(5)中有效的、对应于该组的第二地址(2)，而该组(6)中的其它冗余用户(3，4)则抑制该第二地址(2)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，该方法用于工业自动化系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于在通信网络(5)中寻址至少两个相互冗余用户(3，4)的系统和方法，其中用户(3，4)分别始终对应该通信系统(5)中的第一唯一物理地址(1，9)。为了提高通信网络内通信连接的可用性，由该相互冗余用户(3，4)构成的组(6)分别对应该通信系统(5)中的第二唯一物理地址(2)，其中，对于该组(6)的冗余用户(3，4)，对应于该组(6)的第二地址(2)可以分别作为通信网络(5)中的有效地址而被激活和抑制，其中，设置至少一个上级单元(7)，分别用于在某个时刻对该组(6)的冗余用户(3，4)中的恰好一个用户激活第二地址(2)，而对该组(6)中的其他用户(3，4)抑制该第二地址(2)。
文档编号H04L29/12GK1645868SQ20051000568
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月24日 优先权日2004年1月23日
发明者赫伯特·巴塞尔, 乔基姆·费尔德, 冈特尔·斯坦德尔, 卡尔·韦伯 申请人:西门子公司