用于设备级环网的冗余网关系统

摘要

本发明提供了一种用于设备级环网的冗余网关系统。可以向在设备级环（DLR）网络与生成树（ST）网络之间进行通信的多个网关设备通过以协作方式确保在给定时间只有单个网关活动的网关协议。该协作可以通过网关发送通告消息来实现，该通告消息保存优先级值，以使得在给定时间仅具有最高优先级的单个网关活动。通告消息的丢失可以触发保持在备用状态下的网关承担活动网关的职责。

说明书

技术领域

本发明涉及适于工业控制的数据网络，具体地，涉及在生成树（ST） 网络与设备级环（DLR）网络之间进行通信的网关。

背景技术

用于工业控制器之间的通信的网络不同于标准网络之处在于，它们必 须起到在预定义的时间限制内在对设备进行控制的网络设备之间可靠地 传送数据的作用。可以通过预留网络带宽和调度消息的通信协议提供有限 响应时间。可以通过引入冗余网络部件来提供网络可靠性。

许多计算机网络通过在冗余部件之间进行切换来在网络设备发生故 障的情况下提供网络的自动“修复”。这些协议会花费相对长的时间来重 新连接网络（长达30秒），因此，这对于受控处理在该时间段期间通常不 会是无向的同时不能产生严重后果的工业控制网络而言是不可接受的。

可以通过连接设备级环（DLR）中的网络设备来获得对工业控制环 境中的网络故障的高速校正，在设备级环中，环形网络拓扑在任意两个设 备之间提供冗余路径（在两个相反方向上沿着环）。通常，该环在监控器 设备处对于所有标准数据是“打开”的，因此，在用于大多数数据消息的 正常线性拓扑中进行操作。该监控器可以在不同端口沿着关于环的两个方 向发出“信标”帧，在相对的端口处回收这些帧以表明环的完整性。如果 环被除监控器以外的设备或介质故障中断，则监控器对环的在监控器处的 端部进行重新联接以恢复连续的线性拓扑，现在，环被有故障的部件分离 而不是被监控器分离。可以使用通知帧来将监控器从“分离”到“联接” 的操作状态变化传送给其他节点，以使得这些节点能够对其用于将端口与 目的地址相关联的MAC地址路由表进行重建。

这样的环系统的错误检测时间能够非常快，原理上是由信标的传输速 率（每几个微秒）来限制的。该速率限定了在检测到错误并可以重新配置 环以前的最大时间。

通常期望将DLR网络与其他网络（例如，与不要求DLR网络拓扑 的益处的设备相关联的些网络等）相连。这样的网络可以允许更加灵活的 设备互连，该设备互连通过检测并消除设备之间的连接中的可能的“环路” 的“生成树协议”（STP）而更容易，否则，这样的“环路”可能使得消 息通过网络以环的形式无限传递。如在本领域中所理解的，生成树协议对 利用称为网桥（bridge）的基础设施建立的网络中的环路进行标识，并且 向网桥提供指令以阻塞某些端口来消除这些网络环路。将这些指令作为 “网桥协议数据单元”（BPDU）传送到网络中的各个网桥。

DLR的环路结构可以与尝试消除环路的生成树（ST）型网络兼容。 当以确保每个给定的DLR网络仅具有单个网关的方式来在DLR网络与 ST型网络之间提供网关时，可以适应该不兼容性。然而，对网关数量的 该限制增加了单个网关故障会阻碍两个网络之间的通信的风险。

发明内容

本发明提供了一种通过确保每次仅有DLR网络中的多个网关之一可 以处于活动状态的协议来允许DLR网络与ST网络之间的冗余网关的系 统。一般，网关在活动状态或备用状态下进行操作，在活动状态下进行操 作以允许DLR网络与ST网络通过网关来连接，而在备用状态下进行操 作以很大程度地将在该网关的一侧的DLR通信（traffic）与在另一侧的 ST通信分离。包含优先级值的广播“通告”消息可以用于在网关之间进 行通信以将一个网关保持在活动状态（具有最高优先级）而将其他网关保 持在备用状态。“通告”消息的丢失或明确的故障传输引起设备之间的切 换。

具体地，在一种实施例中，本发明提供了一种用于将设备级环（DLR） 网络连接至生成树（ST）网络的网关。该网关包括第一端口和第二端口， 该第一端口和第二端口能够连接到DLR网络中的设备以与连接在DLR 网络中的其他设备对DLR拓扑消息和通用消息进行通信，该DLR拓扑 消息控制在DLR环断开的情况下对DLR的重新配置。该网关还包括至 少一个第三端口，该至少一个第三端口能够连接至ST网络中的设备以与 连接在ST网络中的其他设备对通用消息进行通信。网关中的控制器与第 一端口、第二端口和第三端口进行通信以在包括有活动状态和备用状态的 至少两种状态下进行操作，其中，该网关：（i）在活动状态或备用状态下， 仅与DLR网络中的其他设备交换DLR拓扑消息；（ii）在活动状态或备 用状态下，在ST网络中的设备之间交换通用消息；以及（iii）仅在活动 状态下，在DLR网络中的设备与ST网络中的设备之间交换通用消息。

因此，本发明的至少一种实施例的特征在于，在不会引起这两种不同 的网络类型中会发生的冲突（例如，生成树算法尝试中断DLR网络的环 路）的情况下，提供DLR型网络与ST型网络之间的网关冗余。

该网关还可以监视DLR网络，以基于来自DLR网络中的另一个网 关的消息来在活动状态与备用状态之间进行切换，使得在DLR网络中仅 有一个活动网关。

因此，本发明的至少一种实施例的特征是提供了DLR网络与ST型 网络之间的冗余网关的自动配置。通过监视DLR网络上的消息，冗余网 关可以进行自组织以使得每次仅有一个网关活动，并且使得在网关发生故 障的情况下，另一个网关将自己启动。

网关可以在活动状态下发送提供网关特有的优先级值的通告消息，而 在备用状态下监听通告消息，并且如果在预定时间内没有接收到通告消 息，或者接收到具有比该网关特有的优先级值低的优先级的通告消息，则 该网关可以从备用状态切换至活动状态。

因此，本发明的至少一种实施例的特征是利用DLR网络自身来自组 织多个网关。

优先级值可以包括由用户设置的存储值和网关的MAC地址。

本发明的至少一种实施例的特征是当通过使用特有的MAC地址作 为连结-中断符（tie-breaker）来标识新网关时消除优先级“连结”的可能 性。

网关状态可以包括监听状态和备用状态，并且如果接收到具有比该网 关特有的优先级值高的优先级的通告消息，则网关可以从监听状态切换至 备用状态，而如果在预定时间内没有接收到通告消息或者接收到具有故障 指示的通告消息，则网关可以从备用状态切换至监听状态；以及其中，该 网关在监听状态下发送通告消息而在备用状态下不发送通告消息。

因此，本发明的至少一种实施例的目的在于，在在备用功能期间始终 不发送不必要的通告消息的情况下，允许从执行备用功能的网关发送通告 消息。

网关可以向DLR网络上的其他设备发送广播刷新表消息，从而使得 DLR网络上的其他设备在网关切换至活动状态时重新学习地址与端口之 间的关联。刷新表消息可以触发DLR网络上的设备将广播学习更新消息 发送到ST网络上的网桥和DLR网络上的其他设备，从而使得它们在网 关切换至活动状态时快速地重新学习地址与端口之间的关联。

因此，本发明的至少一种实施例的目的是提供可以用于触发学习更新 消息以快速地重新学习网关两端的网络拓扑结构的状态变化。

这些具体的特征和优点可以应用于落入权利要求的仅一些实施例，因 此，没有限定本发明的范围。

附图说明

图1是配置为设备级环（DLR）网络并结合有用于在DLR网络与生 成树（ST）网络之间进行通信以在它们之间交换数据的两个网关设备的 工业控制网络的图；

图2是图1的在活动状态下的一个网关设备的框图；

图3是图1的在备用状态下的另一个网关设备的框图；

图4是图1的DLR网络的简化图，其示出了从在活动或监听状态下 的一个网关发送通告消息以增强单个网关操作；以及

图5是根据本发明的网关的操作的状态图。

具体实施方式

现在参照图1，工业控制网络10可以例如包括多个控制设备12A至 12D，诸如可以与工业过程14直接或间接地交换信号以进行对该过程的 实时控制。在本上下文中，实时控制是指受到如下周期支配的控制：由控 制设备12生成的输出信号与发送至工业过程14中的致动器的电信号之间 的良好限定的最大延迟周期以及在工业过程14中由传感器生成信号与通 过控制设备12对该信号的接收和处理之间的以类似方式良好限定的最大 延迟周期。

控制设备12可以借助于下述网络媒介18相互通信并且与第一网关设 备16A和第二网关设备16B通信，所述网络媒介18支持工业控制网络协 议以实现全双工IEEE 802.3以太网络。

控制设备12可以提供可编程逻辑控制器、马达驱动器、I/O模块等 的功能，并且可以包括执行保存在存储器中的存储程序并提供用于必要控 制的逻辑的电子计算机。通常，存储的程序专门针对特定工业过程14来 生成。控制设备12还会包括与上述协议兼容的标准网络通信接口。

可以通过将设备12A至12D以及网关16A至16D布置在设备级环 （DLR）网络19中来获得对网络故障（是设备12或网络媒介18的损耗） 的改进的容差，其中，每个设备12和网关16与将其侧接（flank）在环 中的两个其他设备12或网关16通信。因此，例如，每个给定的设备12 或网关16可以具有经由网络媒介18与顺时针方向上的一个设备通信的第 一DLR端口20A（例如，给定设备的端口20A与顺时针侧接设备的端口 20B通信）以及经由网络媒介18与逆时针方向上的一个设备通信的第二 DLR端口20B（给定设备的端口20B与逆时针侧接设备的端口20A通信）。 例如，在2009年6月29日提交的美国专利申请12/493,838中描述了适于 与本发明一起使用的DLR网络19，该美国专利申请被转让给本发明的受 让人并且通过引用合并于此。

每个网关16a和16b还可以包括可以连接至标准的生成树（ST）网 络24的多个标准端口22。ST网络24可以包括通过网络媒介18连接的 多个网桥26以许可地创建网关16与网桥26之间的多个物理环路和冗余 互连。由生成树网络24实现的特定生成树协议可以遵循IEEE 802.1D“快 速生成树协议”（RSTP）或IEEE 802.1Q“多生成树协议”（MSTP）或 其他类似标准。

现在参照图2和图3，网关16a和网关16b中的每个网关均可以在如 图2所示的活动状态50下或者在如图3所示的备用状态48下进行操作。 在活动状态50下，可以例如使用通用的以太网协议来在端口20a和/或20b 与包括端口22的所有其他端口之间传送通用消息28。这种通用消息28 仅排除DLR拓扑消息30，DLR拓扑消息30涉及DLR网络10的拓扑的 重新配置，DLR拓扑消息30可以如以下要描述的那样并且如在以上引述 的在先申请中公开的那样从监控节点发送。在活动状态50下，DLR拓扑 消息30可以仅在端口20A与端口20B之间传送。通用消息28还可以包 括来自生成树网络24的、可以被传送至DLR网络19的“网桥协议数据 单元（BPDU）”，该DLR网络19在正常才做下将不具有桥接环路，这是 因为DLR网络19的逻辑环路被监控节点或因环路中的故障而中断。

参照图3，在备用状态48下，来自端口20a或端口20b中的任一个 端口的通用消息28以DLR拓扑消息30的方式仅发送至端口20a和端口 20b中的另一个端口中。同样地，来自生成树端口22的通用消息以及其 他消息可以仅被传送至其他生成树端口22。阻塞通用消息在端口20与端 口22之间传送。

现在参照图4和图5，每个网关16可以具有提供下述存储程序36的 软件或固件，所述存储程序36提供在DLR网络19上网关16之间的协作。 例如，当电力首先被施加至给定的网关16a时，给定的网关16a以启动状 态40启动，在启动状态40下，端口20与端口22之间转发的通信被阻塞。 如果给定网关16a的冗余网关操作被禁止，则程序按照状态转变箭头45 进行至单个网关节点44，并且在端口20与端口22之间的通信被使能。

可替换地，如果例如通过被编程到网关16a中的用户指令来针对给定 的网关16a使能冗余网关操作，那么程序36按照状态转变箭头47进行至 监听状态42，同时继续阻塞端口20与端口22之间的传送。

在监听状态42处，网关16a在DLR网络19上传送通告消息46（在 图4中，为了清楚起见仅针对网关16a示出了通告消息）。网关16a还将 监听来自其他网关（例如，网关16b）的通告消息。通告消息46包括可 以由用户编程到网关16a中的优先级值并且还包括网关16a在DLR网络 19上的MAC地址的元素。通告消息46还将提供发送设备的状态，例如， 如监听状态42或者以下要被描述的活动状态50所表示的那样。

如果在监听状态42下从具有比接收通告消息的网关16A的优先级值 更大的优先级值的另一个网关16B接收到通告消息46，那么网关16a按 照状态转换箭头49移动至备用状态48。如上所提到的，优先级值包括编 程部分以及网关16的MAC地址。如果所接收的通告消息46的优先级值 的编程部分与接收网关16a的优先级值的编程部分相同（例如，通过错误 的重复编程），那么对两个网关16A和16B的MAC地址进行比较并且将 MAC地址用作为连结中断符。也就是说，如果发送网关16B的MAC地 址在数值上大于接收网关16A的MAC地址，那么接收网关16a将按照状 态转变箭头49转变至备用状态48。

在备用状态48下，从端口20至端口22的通信转发被阻塞，而网关 16A将停止发送通告消息46以防止对网络带宽的不必要使用。

如果在监听状态42下在预定的超时时段内没有接收到通告消息46 或者如果接收到具有较低优先级值的通告消息，那么程序36将按照状态 转变箭头51进行至活动状态50，并且将变成活动网关设备，其中从端口 20至端口22进行通信转发并且反之亦然。

在转变至活动状态50时，网关16A将发送通告消息46并且将在处 于活动状态50的同时继续规律地发送通告消息46。此外，紧接在转变至 活动状态50时，网关16A将广播“刷新表”消息发送至所有的DLR设 备12，并且将刷新其自身的单播和多播地址学习滤波器表（路由表）。此 时，网关16A将广播学习更新帧发送至非DLR网桥26并发送至其他DLR 设备12以加速其学习。当接收到“刷新表”消息时，DLR设备12将刷 新其自身的单播和多播地址学习滤波器表（路由表），并且将广播学习更 新帧发送至非DLR网桥26并发送至其他DLR设备12以加速其学习。

当网关16A处于活动状态50时，网关16继续针对通告消息46监视 DLR网络19。如果从另一个网关16B接收到具有更高优先级的通告消息 46（如上所述），给定的接收网关16A将按照状态转变箭头53转变至备 用状态48。

当程序36处于备用状态48时，如果在网关16A的所有上行链路端 口22上丢失物理连接或者在端口22上检测到更高级别的连接故障，那么 网关16A将如状态转变箭头58所示的那样转变至故障状态56。在故障状 态56下，端口20与端口22之间的通信转发将被阻塞并且将不发送通告 消息46；然而，将继续监视故障。

可替选地，当网关16a处于活动状态50或监听状态42时，如果在所 有上行链路端口22上丢失物理连接或者在端口22上检测到更高级别的连 接故障，那么网关16A将发送指示故障状态56的通告消息46并且将适 当地按照状态转变箭头59或状态转变箭头61转变至故障状态56。

在处于备用状态48时，如果从网关16B接收到指示故障状态的通告 消息46或者如果在预定的超时时段内没有从活动网关16B接收到通告消 息46，那么网关16a将移动至监听状态42，如状态转变箭头57所表示的 那样。如之前处于该监听状态42一样，阻塞端口20与端口22之间的通 信。

在网关16A处于故障状态56时，网关16A继续监视通告消息46， 并且如果恢复了端口22上的连接并且通告消息46表明活动网关16B具 有比接收网关16A更高的优先级，那么程序36转变至备用状态48，如状 态转变箭头55所表示的那样。可替选地，如果恢复了端口22上的连接并 且所接收的通告消息46来自优先级比接收网关16A更低的网关16B，那 么程序36从故障状态56转变至监听状态42，如状态转变箭头60所表示 的那样。如果在预定的超时时段内没有从活动网关16B接收到通告消息 46并且端口22上的连接仍未恢复，那么网关16A按照状态转变箭头62 保持处于故障状态56。

局部网络故障可能发生，使得数据通信在网络媒介18的给定段上仅 在一个方向上丢失，从而在其实际上仅是网络媒介18的故障时，向网关 16A暗示更高优先级的活动网关16B设备丢失。为了防止多个网关16在 这种情况下被使能，从处于活动状态50但是具有较低优先级的网关16 接收通告消息46的处于活动状态50的网关16A可以阻塞从端口22至端 口22的通信转发，直到这种情况被用户清除。

本文中使用某些术语仅仅是为了引用的目的，因此，这些术语并不旨 在进行限制。例如，诸如“上部”、“下部”、“之上”、“之下”、“顺时针” 和“逆时针”的术语是指所参照的图中的方向。诸如“前面”、“后面”、 “背面”、“底面”和“侧面”的术语描述部件在一致但任意的参考系内的 各个部分的方位，这通过参照本文和描述所讨论的部件的相关联附图将很 清楚。这样的术语可以包括以上具体提及的词、其派生词以及类似含义的 词。类似地，术语“第一”、“第二”和涉及结构的其它这样的数字术语并 不暗示序列或顺序，除非上下文明确指出。

当介绍本公开内容和示例性实施例的元素或特征时，冠词“一个（a）”、 “一个（an）”、“该（the）”和“所述（said）”旨在表示存在一个或多个 这样的元素或特征。术语“包括（comprising）”、“包括（including）”和 “具有（having）”意在是包括性的，并且表示可能存在除了具体指出的 那些元素或特征之外的附加元素或特征。还应当理解，本文中所描述的方 法步骤、处理和操作不应当被理解为必须要求按照所讨论或所说明的具体 顺序来执行，除非具体地标明为执行顺序。还应当理解，可以采用另外的 或替选的步骤。

对控制器、计算机或处理器或者其等同物的提及可以被理解为包括一 个或多个计算设备，该计算设备包括可以实现状态感知逻辑以及可以在独 立式和/或分布式环境下进行通信并且因此可以被配置成通过有线或无线 通信与其它处理器通信的微处理器、现场可编程门阵列和专用集成电路， 其中，这样的一个或多个处理器可以被配置成操作一个或多个处理器受控 的设备，这些设备可以是类似或者不同的设备。此外，除非另外规定，否 则对存储器的提及可以包括一个或多个处理器可读且可访问的存储元件 和/或部件，该存储元件和/或部件可以在处理器手段的设备内部、在处理 器受控的设备外部、并且可以通过有线或无线网络来访问。