CN115001898A - 网络设备冗余通信***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种网络设备冗余通信***及方法，该***包括：多组从站，每组从站包括多个从站；多组网关，每组网关包括多个网关，每组网关与每组从站一一对应，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站通过总线型拓扑结构信号连接；主站，所述主站与所述多组网关通过环型拓扑结构信号连接，所述主站用于通过所述网关从所述从站中读写数据。本发明在多种场景下不同程度上降低通信节点发生故障时对其他通信节点的影响。

Description

网络设备冗余通信***及方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种网络设备冗余通信***及方法。
背景技术
Ethercat现场总线技术是一种基于以太网开发构架的实时工业现场总线通讯协议，具有高性能、拓扑结构灵活、应用容易、低成本、高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议、热插拔等特点。
Ethercat现场总线采用主从式通信机制，一个通信网络中只能有一个主站，但是可以有多个从站。主站与从站组成一个环形网络，主站可按照设定的周期读写与从站间的交互数据。Ethercat通信总线结构见图1，将需要通信的所有节点首尾相连组成一个环型。在环路中，数据按照一个方向传输。发送端发出的数据，延环绕行一周后，回到发送端，由发送端将其从环上删除。任何一个节点发出的数据都可以被环上的其他节点接收到。
Ethercat环型网络拓扑的缺点是当一个通信节点发生故障，会影响其他节点的通信速率，但不会导致通信中断。当两个通信节点故障时，根据节点的位置，有可能导致没有故障的节点通信异常。
发明内容
本发明提供一种网络设备冗余通信***及方法，用以解决现有技术中环型网络拓扑在单个通信节点发生故障时影响其他节点的通信速率；在多个通信节点发生故障时影响正常节点的通信的缺陷，实现降低通信节点发生故障时对其他通信节点的影响。
本发明提供一种网络设备冗余通信***，包括：
多组从站，每组从站包括多个从站；
多组网关，每组网关包括多个网关，每组网关与每组从站一一对应，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站通过总线型拓扑结构信号连接；
主站，所述主站与所述多组网关通过环型拓扑结构信号连接，所述主站用于通过所述网关从所述从站中读写数据。
根据本发明提供的一种网络设备冗余通信***，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站之间通过flexray通信总线连接，所述主站与所述多组网关之间、所述多组网关之间通过ethercat通信总线连接。
根据本发明提供的一种网络设备冗余通信***，每组网关中的每个网关用于将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；将每组网关对应的每组从站的反馈信息转发给所述主站；
每个从站用于将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
所述主站用于将接收的多份反馈信息中的一份反馈信息进行保留。
根据本发明提供的一种网络设备冗余通信***，每个从站用于将接收的多份数据进行比较，在多份数据的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
所述主站用于将接收的多份反馈信息进行比较，在多份反馈信息的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份反馈信息中的一份数据进行保留。
根据本发明提供的一种网络设备冗余通信***，每组网关中的网关数量为两个。
本发明还提供一种网络设备冗余通信方法，应用于上述任一网络设备冗余通信***，包括：
通过每组网关中的每个网关将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；
通过每组网关中的每个网关将每组网关对应的每组从站反馈的信息转发给所述主站。
本发明提供的网络设备冗余通信***及方法，通过将环型拓扑结构和总线型拓扑结构进行结合，在单个从站节点发生故障时，不影响其他节点的通信速率；主站和从站节点之间不直接通信，而是通过冗余的网关节点完成数据转发，当任一网关节点发生故障时通信仍然正常；当任意两组网关节点中存在网关节点故障时，也可能全部或部分从站节点正常通信，在多种场景下不同程度上降低通信节点发生故障时对其他通信节点的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的ethercat通信总线环型网络拓扑结构示意图；
图2是本发明提供的网络设备冗余通信***的结构示意图；
图3是本发明提供的网络设备冗余通信***中总线型拓扑结构和环型拓扑结构结合的结构示意图；
图4是本发明提供的网络设备冗余通信方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图2描述本发明的一种网络设备冗余通信***，包括：
多组从站，每组从站包括多个从站；
图2中的网络设备冗余通信***有两组从站，一组从站包括从站31、32和33，另一组从站包括从站34、35和36。本实施例不限于从站的组数和每组从站中的从站个数。
多组网关，每组网关包括多个网关，每组网关与每组从站一一对应，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站通过总线型拓扑结构信号连接；
图2中有两组网关，一组网关包括网关21和22，另一组网关包括网关23和24。网关21和22冗余，网关23和24冗余。本实施例不限于网关的组数和每组网关中的网关个数。
网关21、22与从站31、32、33之间以总线型拓扑结构进行连接，网关23、24与从站34、35、36之间以总线型拓扑结构进行连接。
主站，所述主站与所述多组网关通过环型拓扑结构信号连接，所述主站用于通过所述网关从所述从站中读写数据。
主站1与网关21、22、23、24之间通过环型拓扑结构进行连接。主站和从站之间通过网关进行通信，主站负责核心运算，从站分别完成不同的功能。主站需要与从站通信，完成发送命令、收集状态等。
为了降低单个通信节点故障对其他节点的通信速率的影响(需要切换到另一个方向重新发送数据)，本实施例将总线型拓扑结构和环型拓扑结构进行结合。
但是如果结合的结果如图3所示，这种拓扑能有效降低部分节点故障对整个通信网络的影响，比如从站31、32、33、34、35和36中任一从站故障，都不会对其他从站造成影响。但是，与单纯的环型网络相比，如果网关21或23发生故障，后果却更严重。比如网关21故障，将会导致从站31、32、33与主站的通信中断。为了降低这种影响，本实施例对每组从站与主站之间通信的网关设置为多个，实现网关冗余。当其中一个网关发生故障，该组从站通过其他正常的网关与主站进行通信。
本实施例通过将环型拓扑结构和总线型拓扑结构进行结合，在单个从站节点发生故障时，不影响其他节点的通信速率；主站和从站节点之间不直接通信，而是通过冗余的网关节点完成数据转发，当任一网关节点发生故障时通信仍然正常；当任意两组网关节点中存在网关节点故障时，也可能全部或部分从站节点正常通信，在多种场景下不同程度上降低通信节点发生故障时对其他通信节点的影响。
在上述实施例的基础上，本实施例中每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站之间通过flexray通信总线连接，所述主站与所述多组网关之间、所述多组网关之间通过ethercat通信总线连接。
具体地，本实施例对于环型拓扑结构中主站与网关之间，网关与网关之间通过ethercat通信总线连接，既能采用Ethercat现场总线，发挥其实时性高的特点，同时又能降低单个节点故障对整个通信网络的影响。
例如图2中，主站1与从站21、24之间通过ethercat通信总线连接，从站21与从站22之间通过ethercat通信总线连接，从站22与从站23之间通过ethercat通信总线连接，从站23与从站24之间通过ethercat通信总线连接。
FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性、具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和***灵活性。
本实施例对于总线型拓扑结构中网关与从站之间通过FlexRay通信总线连接。
例如图2中网关21和22余在一个FlexRay网络中，此FlexRay网络中还包括从站31、32和33。网关21与从站31、32、33之间通过FlexRay通信总线连接，网关22与从站31、32、33之间通过FlexRay通信总线连接。网关21和22负责主站1与从站31、32、33之间通信数据的转发。
网关23和24余在一个FlexRay网络中，此FlexRay网络中还包括从站34、35和36。网关23与从站34、35、36之间通过FlexRay通信总线连接，网关24与从站34、35、36之间通过FlexRay通信总线连接。网关23和24负责主站1与从站34、35、36之间通信数据的转发。
在上述实施例的基础上，本实施例中每组网关中的每个网关用于将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；将每组网关对应的每组从站的反馈信息转发给所述主站；每个从站用于将接收的多份数据中的一份数据进行保留；所述主站用于将接收的多份反馈信息中的一份反馈信息进行保留。
结合图2，本实施例中主站与从站之间的通信流程包括如下步骤：
1、主站1将需要发送给从站31、32、33的数据通过ethercat通信总线发送给网关21和22。
2、网关21和22通过flexray通信总线将数据分别发送给从站31、32和33。
3、在网络通信正常的情况下，从站31、32和33能收到两份主站发送的数据，保留一份即可。
4、从站31、32和33分别通过flexray通信总线向网关21和22发送反馈信息。
5、网关21和22将反馈信息通过ethercat通信总线发送给主站。
6、在网络通信正常的情况下，主站能收到两份31、32和33发送的反馈信息，保留一份即可。
7、主站与从站34、35、36的通信类似。
对于重复数据的筛选，可参照EN50159中的要求来完成，本实施例不再赘述。
在上述实施例的基础上，本实施例中每个从站用于将接收的多份数据进行比较，在多份数据的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
所述主站用于将接收的多份反馈信息进行比较，在多份反馈信息的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份反馈信息中的一份数据进行保留。
在***中的所有节点正常时，每次通信时，每个从站能收到主站发送的两份数据，主站也能收到每个从站发送的两份数据。
由于通信延迟和数据篡改等原因，导致每次通信时每个从站从主站接收到的多份数据的内容和/或接收时间可能不一致。仅在接收内容和时间均一致的情况下保留其中的一份，否则发出告警信息，提示运营人员进行查看。
在上述各实施例的基础上，本实施例中每组网关中的网关数量为两个。
主站与从站之间的通信，采用冗余的网关节点来完成。有效数据通过两个网关节点来转发，即使一个网关节点故障，通信仍然不会中断。
基于上述任一网络设备冗余通信***实施例，如图4所示，本实施例提供一种网络设备冗余通信方法，包括：步骤401，通过每组网关中的每个网关将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；
主站与网关之间通过环型拓扑结构进行连接。主站和从站之间通过网关进行通信，主站负责核心运算，从站分别完成不同的功能。主站需要与从站通信，完成发送命令、收集状态等。
步骤402，通过每组网关中的每个网关将每组网关对应的每组从站反馈的信息转发给所述主站。
主站与网关之间通过环型拓扑结构进行连接。网关与从站之间以总线型拓扑结构进行连接。每组网关包括多个网关，每组网关冗余。
本实施例通过将环型拓扑结构和总线型拓扑结构进行结合，在单个从站节点发生故障时，不影响其他节点的通信速率；主站和从站节点之间不直接通信，而是通过冗余的网关节点完成数据转发，当任一网关节点发生故障时通信仍然正常；当任意两组网关节点中存在网关节点故障时，也可能全部或部分从站节点正常通信，在多种场景下不同程度上降低通信节点发生故障时对其他通信节点的影响。
在上述实施例的基础上，本实施例还包括：将从站接收的多份数据进行比较，在多份数据的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
将主站接收的多份反馈信息进行比较，在多份反馈信息的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份反馈信息中的一份数据进行保留。
在***中的所有节点正常时，每次通信时，每个从站能收到主站发送的两份数据，主站也能收到每个从站发送的两份数据。
由于通信延迟和数据篡改等原因，导致每次通信时每个从站从主站接收到的多份数据的内容和/或接收时间可能不一致。仅在接收内容和时间均一致的情况下保留其中的一份，否则发出告警信息，提示运营人员进行查看。
在上述各实施例的基础上，本实施例中在任一网关发生故障的情况下，每组从站与所述主站通信正常。
如图2所示，若网关21故障，从站31、32和33仍能与主站完成数据交换，其他网关节点仍能正常与主站通信。
若网关22故障，从站31、32和33仍能与主站完成数据交换，其他网关节点仍能正常与主站通信。
若网关23故障，从站34、35和36仍能与主站完成数据交换，其他网关节点仍能正常与主站通信。
若网关24故障，从站34、35和36仍能与主站完成数据交换，其他网关节点仍能正常与主站通信。
在上述各实施例的基础上，本实施例中在任一从站发生故障的情况下，每组从站中的正常从站与所述主站通信正常。
图2中如果从站31、32、33、34、35和36中的任意一个节点发生故障，不会影响本flexray总线网络中的其他节点，不会影响环型网络中的任何节点，不会影响其他flexray总线网络。
从站31、32、33、34、35和36中的任意多个节点发生故障，不会影响本flexray总线网络中的其他节点，不会影响环型网络中的任何节点，不会影响其他flexray总线网络。
在上述各实施例的基础上，本实施例中在与所述主站相邻的每组网关中，若除与所述主站相连的网关以外的至少一个其他网关故障，则与所述主站相邻的每组网关对应的每组从站与所述主站通信正常。
图2中，若网关22和网关23同时故障，则主站1先与网关24通信，网关24再与网关23、从站34、35、36通信。由于网关23故障，则切换通信方向，主站再与网关21通信，网关21与网关22、从站31、32、33通信。每组从站均能与主站正常通信。
若网关21和网关22同时故障，则从站31、32、33与主站通信中断。
若网关23和网关24同时故障，则从站34、35、36与主站通信中断。
若网关21和网关23同时故障，ethercat环型网络异常，但从站34、35、36与主站通信正常。
若网关22和网关24同时故障，ethercat环型网络异常，但从站31、32、33与主站通信正常。
若网关21和网关24同时故障，则从站31、32、33、34、35和36与主站通信中断。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种网络设备冗余通信***，其特征在于，包括：
多组从站，每组从站包括多个从站；
多组网关，每组网关包括多个网关，每组网关与每组从站一一对应，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站通过总线型拓扑结构信号连接；
主站，所述主站与所述多组网关通过环型拓扑结构信号连接，所述主站用于通过所述网关从所述从站中读写数据。
2.根据权利要求1所述的网络设备冗余通信***，其特征在于，每组网关中的每个网关与每组网关对应的每组从站中的每个从站之间通过flexray通信总线连接，所述主站与所述多组网关之间、所述多组网关之间通过ethercat通信总线连接。
3.根据权利要求1所述的网络设备冗余通信***，其特征在于，每组网关中的每个网关用于将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；将每组网关对应的每组从站的反馈信息转发给所述主站；
每个从站用于将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
所述主站用于将接收的多份反馈信息中的一份反馈信息进行保留。
4.根据权利要求3所述的网络设备冗余通信***，其特征在于，每个从站用于将接收的多份数据进行比较，在多份数据的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
所述主站用于将接收的多份反馈信息进行比较，在多份反馈信息的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份反馈信息中的一份数据进行保留。
5.根据权利要求1-4任一所述的网络设备冗余通信***，其特征在于，每组网关中的网关数量为两个。
6.一种网络设备冗余通信方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的网络设备冗余通信***，包括：
通过每组网关中的每个网关将主站发送的数据转发给每组网关对应的每组从站；
通过每组网关中的每个网关将每组网关对应的每组从站反馈的信息转发给所述主站。
7.根据权利要求6所述的网络设备冗余通信方法，其特征在于，还包括：
将从站接收的多份数据进行比较，在多份数据的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份数据中的一份数据进行保留；
将主站接收的多份反馈信息进行比较，在多份反馈信息的内容一致且接收时间一致的情况下，将接收的多份反馈信息中的一份数据进行保留。
8.根据权利要求6或7所述的网络设备冗余通信方法，其特征在于，在任一网关发生故障的情况下，每组从站与所述主站通信正常。
9.根据权利要求6或7所述的网络设备冗余通信方法，其特征在于，在任一从站发生故障的情况下，每组从站中的正常从站与所述主站通信正常。
10.根据权利要求6或7所述的网络设备冗余通信方法，其特征在于，在与所述主站相邻的每组网关中，若除与所述主站相连的网关以外的至少一个其他网关故障，则与所述主站相邻的每组网关对应的每组从站与所述主站通信正常。
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