公用事业通信方法和系统

摘要

本发明关于使用并行冗余协议PRP（IEC62439-3）用于流量复制以及该复制流量在单分组交换广域通信网络（其包括在网状拓扑中经由节点间链路而互连的多个节点）中的冗余输送。它牵涉在发送与接收节点之间识别两个截然不同的通信路径（除发送和接收节点外没有共同的链路或节点）的步骤，以及配置发送和接收节点以根据并行冗余协议PRP运行的步骤。在规则运行期间的任何时间，并且对于要从发送节点传输到接收节点的任何关键消息，则生成两个冗余包，并且这些冗余包中的每个经由两个通信路径中的一个发送，从而促成通信网络的可用性增加而不招致全网络复制的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及公用事业通信的领域，特别地涉及通过具有网状拓扑和高可用性的通信网络的广域通信。

背景技术

公用事业在连续基础上并且经由适合的传输和分配系统提供水、气或电能。后者包括站点，例如源和变电站，其必须采用一个或另一个方式跨几百公里的距离协调。在它们的公用事业通信系统内，多种消息在公用事业的远程站点之间的长距离通信链路上交换，以便安全地传输和分配水、气或电能。

为了长距离地从一个站点安全地传输消息到另一个，公用事业可恢复到广域通信网络（WAN）。在目前的上下文下，WAN可以是基于例如光纤或引导线的两个站点之间的专用点对点通信链路、例如通过SDH/HDLC的以太网等具有保证的数据率的面向连接的通信网络或面向包的通信网络，其互连公用事业的许多站点，并且包括例如交换机、中继器和处于物理层的可能的光学传输介质等多个特定网络元件。

电力公用事业通常依靠面向连接或电路交换SDH（同步数字分层结构）或SONET网络，用于任务关键操作数据（像远程保护信令）或SCADA控制和监管数据的通信。该技术特征在于，在光学链路失效的情况下的小于50ms的路径回弹和经证明的服务质量。此外，预定义特定通信服务在网络内部将遵循的数据路径（其在下面称为‘流量工程化’），这是可能的。

图1描绘具有如常在公用事业网络中发现的网状拓扑或结构的示范性通信网络，其中节点1至5以及链路a至g形成多个回路。每个节点连接到网状网络的至少两个相邻节点以及连接到运行公用事业应用（其通过网络通信）的客户端或终端设备（未描绘）。尽管在该拓扑中，对于节点1与3之间的数据的正常流量路径是通过链路a-b，SDH和SONET系统能够在链路a中光纤链路失效的情况下在50ms内将该流量切换到例如链路c-g-f。为了实现该路径切换的重要前提是流量工程化，其允许用户预定义通信服务的工作路径（即链路a-b），并且同样预定义对于这些服务的保护路径（即，链路c-g-f），并且配置节点来相应地处理流量。

作为上文提到的面向连接的通信网络的备选，广域通信网络（WAN）可以是分组交换通信网络，例如以太网（OSI通信栈的层2）网络或IP（层3）网络，其中许多互连交换机或路由器作为节点。在本发明的上下文中，考虑了局域网（LAN）与WAN之间的差异存在于地理范围方面而不是在网络拓扑方面，其中WAN节点间距离超出10km，这与局限于个体场所或公用事业变电站的LAN不同。

在一般的通信系统技术中，在通过使多个计算机或其他智能装置连接在一起而构造的任何局域网（LAN）内，叫作“虚拟LAN”（VLAN）的概念采用用于将连接到网络的交换机的终端或节点分组的功能性。根据IEEE 802.1Q的以太网VLAN允许将对连接到以太网网络的终端的访问限制在VLAN内以及将组播以太网消息的数据流限制到属于相同VLAN的接收器终端所连接到的以太网网络的预定义部分。

在基于以太网交换机的网络的现有技术中，在以太网交换机内处理VLAN定义，因此以太网交换机必须被配置或用别的方式变得感知相关VLAN。此外，假设任何单连接终端属于一个特定VLAN。该终端则可以仅与属于相同VLAN的其他终端通信。当配置交换机时，到这样的单连接终端的端口因此叫作接入端口，并且该接入端口仅被允许属于一个VLAN，而通信系统内部的其他端口（叫作中继端口）可属于若干VLAN。

近来引入的题为并行冗余协议（PRP，IEC 62439-3条款4）的标准对具有两个冗余（即完全复制的）以太网网络的基于以太网的通信系统提供无缝冗余和切换。进入有PRP能力的节点的以太网流量由该节点复制并且经由两个冗余网络发送到目的地节点。该目的地节点通过接受复制的包中的第一个并且通过丢弃在正常操作中晚些到达的冗余包而撤销冗余。通过复制流量并且通过两个截然不同的网络发送它，系统中任何网络链路的失效不中断或延迟发送方与接收方节点之间的流量。

尽管PRP对于LAN是可行的技术方案，具有适当复制的网络元件的完全冗余的广域公用事业通信网络的建立既不是实际的也不是经济的技术方案。特别地，在公用事业已经拥有并且运行具有非冗余链路的通信网络的情况下，随后的例如光纤链路的复制是没有吸引力的。

发明内容

因此本发明的目的是在没有网络基础设施的完全复制的情况下在广域通信网络中提供无缝冗余。该目的由配置通信网络的方法以及由根据独立权利要求的配置工具实现。优选实施例从从属专利权利要求中显而易见，其中权利要求从属性不应解释为排除另外有意义的权利要求组合。

根据本发明，并行冗余协议PRP（IEC 62439-3）用于流量复制以及复制流量在单分组交换广域通信网络（其包括在网状拓扑中经由节点间链路而互连的多个节点）中的冗余输送。它牵涉在发送与接收节点之间识别两个截然不同且完全冗余的通信路径（除发送和接收节点外没有共同的链路或节点）的步骤，以及配置发送和接收节点以根据并行冗余协议PRP运行的步骤，其中发送和接收节点两者的两个截然不同的通信端口被分配到两个通信路径。在规则操作期间的任何时间，并且对于要从发送节点传输到接收节点的任何关键消息，则生成两个冗余包，并且这些冗余包中的每个经由两个通信路径中的一个发送。

在本发明的有利实施例中，对于从通信网络的节点之中选择并且适当地在网络上分布的若干根桥，执行多生成树协议MSTP算法。对于每个根桥，保留生成树的实例。识别包括发送与接收节点之间的两个截然不同的通信路径的两个生成树实例，并且基于这两个生成树实例的第一和第二VLAN在通信网络中配置。发送和接收节点配置为PRP节点，其中两个冗余通信端口中的每个被分配给第一和第二VLAN中的一个并且复制流量用两个不同的VLAN标签来标记。

与标准PRP相比，本发明促成广域通信网络的高度可用性而不招致全网络复制的成本。从不同的角度来看并且与常规SDH相比，根据PRP的无缝切换在光学链路失效的情况下使路径回弹时间减少到小于1ms。

附图说明

本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中：

图1描绘具有网状拓扑的通信网络，

图2描绘在节点1与3之间具有两个冗余路径A、B的网络，以及

图3描绘具有定义两个示范性VLAN的两个MSTP实例的网络。

具体实施方式

图2描绘具有与图1中的相同的网状拓扑并且具有要从有PRP能力的发送方节点1传输到接收方节点3的以太网流量的分组交换以太网网络。在节点1与节点3之间，经由节点2的第一路径（虚线）标示为A，而经由节点4和5的第二路径（点线）标示为B。这两个路径是截然不同的，即，它们仅具有共同的发送/源和接收/目的地节点，但都没有中间节点或节点间链路。每个包在发送方节点处复制，其中第一包沿路径A传输并且第二冗余包经由路径B传输。

对应的通信路径信息附加到包，或分布到中间节点，在后者情况下仅路由标签A、B需要附加到包。特别地，关于两个截然不同的路由路径A和B的信息可编码为两个截然不同的虚拟局域网VLAN A和B。在该情况下网状网络的节点的通信端口被配置使得在节点1与3之间用VLAN A标识符来标记第一消息并且沿路径A通过链路a-b来路由它，而第二包用VLAN B标识符来标记并且沿路径B通过链路c-g-f来路由。

在较大的网络中，任意两个节点之间的冗余路径的识别以及中间节点的端口到不同VLAN的对应分配是耗时且容易出错的任务。然而，冗余路径的识别可以通过使用多生成树协议MSTP来得以支持。根据标准IEEE 902.1Q，MSTP允许在网络中选择多至64个根桥或起源节点，对于其中的每个生成快速生成树的实例。每个生成树采用避免回路的方式将根桥连接到网状网络的任何其他节点，其中对于节点和链路的优先级可被定义以解决模糊。这些生成树实例中的每个然后可分配到一个或若干VLAN。基于一个生成树实例在形式上定义截然不同的VLAN允许使VLAN扩展超出网络的发送和接收节点直至连接到节点的截然不同的客户端或终端设备。

图3图示用于获得VLAN信息的示范性方法。在左边的图中，对于MSTP实例中的一个，已经选择节点2作为根桥。由该根桥生成的生成树-遵循根桥与每个节点之间的最短路径-包括链路a、b、d和e但阻断链路c、f和g以便防止回路。如果VLAN A被分配给由节点2中的根桥生成的MSTP实例，使用根据图2的PRP算法对VLAN A复制并且标记的以太网流量遵循节点1与3之间期望的链路a-b。

在图3的右边图中，通过将节点4定义为对于生成树的第二实例的根桥并且通过将VLAN B分配给由该根桥生成的MSTP实例，对VLAN B标记的以太网流量将遵循网状网络中的节点1与3之间的期望链路c-g-f。在该示例中，除在节点4中定义根桥外，节点5的桥优先级必须设置得比桥2的优先级更高以便确保链路b而不是链路f被生成树算法阻断。在所得的VLAN结构中，节点2和4中的一些端口被分配给VLAN A和B两者。

MSTP根桥的配置和VLAN到这些根桥的分配可以作为网络的初始配置/调试的一部分而进行。由于该目的，建议采用等距的方式使64个可能的根桥在整个网络上分布，并且将全部的4096个VLAN均等地分配给根桥，例如64个VLAN到64个根桥中的每个。一旦网络正运行，生成快速生成树的64个实例并且定义通过网络的不同路径。

至少对于公用事业的服务或功能性所牵涉的每对源和目的地节点，适当的工具允许监视并且分析VLAN并且识别感兴趣的两个节点之间的冗余路径。提出的对冗余路径的检查可有些复杂并且不保证成功。例如，在节点2与4之间，上文的VLAN A和B是不够的，因为它们都牵涉链路d。然而将节点5定义为另一个根桥将是有帮助的。

因此，根据修改的PRP算法复制的以太网流量仅需要用适当的VLAN ID来标记以便确保通向期望的接收节点的冗余路径。该过程允许在运行良好的网络上配置新的冗余数据服务而不必重新配置网络中的任何节点，但不同的是，发送和接收节点实现PRP算法。

作为对MSTP和层2桥接以太网技术的备选，如在互联网工程任务组（IETF）的请求评论（RFC）3031和3032中记录并且在层2（数据链路层）与层3（网络层）的传统定义之间的OSI模型层运行的MPLS（多协议标签交换）可被调用以凭借如在SDH/SONET网络中的常规流量工程化来识别发送与接收节点之间的两个冗余路径。优选地通过对截然不同的冗余路径分配截然不同的VLAN标识符，网状通信网络随后被配置使得冗余流量经由冗余路径而路由。