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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines drahtlosen Netzwerks, insbesondere eines vermaschten Netzwerks, wobei das Netzwerk zumindest zwei Netzwerk-Teilnehmer und zumindest eine Überwachungseinheit aufweist, ein Computerprogramm, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist und ein Computerprogrammprodukt, auf dem das Computerprogramm bzw. das Verfahren gespeichert ist.
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Mesh-Netzwerke werden häufig in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik angewendet, um beispielsweise eine zuverlässige Übertragung von Informationen zwischen Feldgeräten, wie Sensoren und Aktoren, und Leitwarten zu realisieren. Beispielsweise kommen in diesem Zusammenhang vielfach drahtlose Mesh-Netzwerke zum Einsatz, wie beispielsweise Bluetooth, oder WLAN-Netzwerke.
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Vermaschte Netzwerke sind beispielsweise in der Teilspezifikation IEEE 802.11 s des Industriestandards IEEE 802.11 für drahtlose Netzwerkkommunikation spezifiziert. In einem vermaschten Netzwerk (engl. Mesh-Network) ist generell eine Kommunikation zwischen beliebigen Geräten in Reichweiter zueinander möglich. So ist für einen bestimmten Netzwerkteilnehmer kein direkter Übertragungsweg zu einem Gateway erforderlich. Beispielsweise können automatisch Verbindungen zwischen verschiedenen Access Points in Reichweite hergestellt werden, was unter anderem eine dynamische Reaktion auf Änderungen hinsichtlich der Konnektivität ermöglicht. Vorteilhaft wächst die Netzwerkreichweite mit der Anzahl der Netzwerkteilnehmer und darüber hinaus bieten Mesh-Netzwerke durch ihre redundanten Kommunikationswege eine erhöhte Zuverlässigkeit, die Möglichkeit einer Selbst-Konfiguration, Selbst-Heilung und Selbst-Optimierung des Netzwerks.
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Bei den meisten vermaschten Netzwerken gibt es allerdings keine Garantien bezüglich der zur Verfügung stehenden Bandbreite oder erreichter Latenzen. Bei einer maximalen Netzwerkauslastung kann es so zu nachteiligen Staueffekten und im schlimmsten Fall auch zum Verlust von Datenpaketen oder Nachrichten kommen.
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Es wäre wünschenswert, den Zustand eines vermaschten Netzwerks zu detektieren, um mögliche Probleme, beispielsweise Datenverluste, zu vermeiden.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und präzise Möglichkeit zur Zustandsüberwachung eines Mesh-Netzwerks bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das Computerprogramm nach Anspruch 13 sowie das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 14.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines, insbesondere drahtlosen, vermaschten Netzwerks, wobei das Netzwerk zumindest zwei Netzwerk-Teilnehmer und zumindest eine Überwachungseinheit aufweist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- - Erfassen zumindest einer netzwerkspezifischen Information von zumindest einem Netzwerk-Teilnehmer, welche Information einen aktuellen Zustand des Netzwerks charakterisiert,
- - Bereitstellen der Information an die Überwachungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, anhand zumindest eines erlernten Referenzzustands des Netzwerks und anhand der Information eine Aussage über den Zustand des Netzwerks zu ermitteln, und
- - Ausgeben der Aussage über den Zustand des Netzwerks.
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Das vermaschte Netzwerk, bzw. Mesh-Netzwerk kann zentralisiert oder dezentralisiert betrieben werden und fremd- oder selbstkonfigurierend ausgestaltet sein. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um ein selbst-konfigurierendes Netzwerk.
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Das Verfahren basiert darauf, dass zunächst eine Information, welche einen aktuellen Zustand des Netzwerks widerspiegelt bzw. repräsentiert, erfasst wird. Dabei kann es sich beispielsweise um verschiedene Meta-Daten des Netzwerks handeln. Diese Information wird mittels einer Überwachungseinheit mit einem erlernten Referenzzustand verglichen und anhand des Vergleichs wird eine Zustandsüberwachung bzw. Diagnose des Netzwerks durchgeführt. Insbesondere können eine Abweichung von einem oder mehreren typischen bzw. funktionsfähigen Zuständen des Netzwerks oder eine Netzwerkanomalie erkannt werden.
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Die Überwachungseinheit ist vorzugsweise Teil des Netzwerks und kann sowohl als separate Einheit ausgestaltet oder in einen Netzwerk-Teilnehmer oder eine Leitwarte integriert sein.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Überwachungseinheit dazu ausgestaltet, zumindest einen Referenzzustand des Netzwerks zu erlernen. Die Überwachungseinheit ist demnach eine mit einer Methode der Künstlichen Intelligenz ausgestattete Einheit, welche in einem überwachten (engl. supervised), nicht überwachten (engl. unsupervised) oder semiüberwachten (engl. semi-supervised) Trainingsvorgang trainiert werden kann. Im Falle eines semiüberwachten Lernprozesses kann das Netzwerk beispielsweise so trainiert werden, dass es selbstständig verschiedene Zustände des Netzwerks erlernen und/oder erkennen kann, wobei diese Zustände zudem mit einem Label versehen werden. Es ist einerseits denkbar, dass ein Mesh-Netzwerk mit einer trainierten Überwachungseinheit zur Verfügung gestellt wird, oder auch, dass die Überwachungseinheit in dem spezifischen Netzwerk, für welches sie eingesetzt werden soll, trainiert wird.
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Es ist von Vorteil, wenn es sich bei dem Netzwerk um ein WLAN-, Bluetooth-, Wireless HART- oder ein LoRaWan- (Long Range Wide Area Network) Netzwerk handelt. Aber auch andere Netzwerke können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn es sich bei der zumindest einen Information um einen Sende-, Empfangs- oder Weiterleitungs-Zeitpunkt oder einen Sende- oder Empfangsort für eine Netzwerk-Nachricht, eine Übertragungsstrecke oder Sendestrecke der Netzwerk-Nachricht von zumindest einem Netzwerkteilnehmer zu einem weiteren Netzwerkteilnehmer, zur Überwachungseinheit oder zu einer übergeordneten Einheit, eine Anzahl an Netzwerkknoten, einen Namen, eine Adressen und/oder eine Reihenfolge an Netzwerkknoten, eine Frequenz der Netzwerk-Nachricht, das ist eine Frequenz, mit welcher eine Nachricht typischerweise verschickt wird, oder eine Trägerfrequenz, also eine Frequenz des, insbesondere drahtlosen, Netzwerks, eine Datengröße oder Datenrate der Netzwerk-Nachricht, eine Signalstärke eines empfangenen Signals, eine Anzahl an Netzwerknoten, mit welchen ein Netzwerkteilnehmer verbunden ist, eine Laufzeit der Netzwerk-Nachricht, oder ein Jitter bzw. eine Laufzeitenvarianz des Netzwerks handelt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf die hier genannten Beispiele beschränkt, bei welchen es sich um verschiedene bevorzugte Ausgestaltungen handelt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht unterschiedlichste Diagnosen bezüglich eines Netzwerks. Im Prinzip handelt es sich bei den Informationen jeweils um Meta-Daten des Netzwerkverkehrs.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Information oder der aktuelle Zustand mit der Referenzinformation oder dem Referenzzustand verglichen.
Die Information bzw. die Referenzinformation hängt jeweils mit einem aktuellen Zustand des Netzwerks bzw. dem Referenzzustand zusammen. Aus dem Vergleich kann beispielsweise eine Abweichung über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus festgestellt werden, anhand welcher eine Diagnose bzw. Zustandsüberwachung des Netzwerks erfolgt.
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Es ist von Vorteil, wenn anhand des Vergleichs erkannt wird, ob zumindest ein Netzwerk-Teilnehmer an das Netzwerk angeschlossen ist, ob es sich bei dem Netzwerk-Teilnehmers um einen funktionsfähigen Netzwerkteilnehmer handelt, oder ob zumindest ein Netzwerk-Teilnehmer zumindest eine Netzwerk-Nachricht weiterleitet. Die Erfindung ermöglicht somit zu überprüfen, ob einzelne Netzwerk-Teilnehmer noch senden bzw. empfangen und ob sie Netzwerk-Nachrichten weiterleiten.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Netzwerk zumindest zwei Überwachungseinheiten, wobei die zumindest zwei Überwachungseinheiten an unterschiedlichen Positionen in dem Netzwerk angeordnet sind, wobei an jede Überwachungseinheit zumindest eine Information bereitgestellt wird, und wobei jede Überwachungseinheit dazu ausgestaltet ist, anhand zumindest eines erlernten Referenzzustands des Netzwerks und anhand der jeweiligen zumindest einen Information eine Aussage über den Zustand des Netzwerks zu ermitteln. Die beiden den jeweiligen Überwachungseinheiten zur Verfügung gestellten Informationen und Referenzzustände können sich entsprechen, oder unterschiedlich sein. Es ist auch denkbar, dass jedem Netzwerkteilnehmer eine Überwachungseinheit zugeordnet ist, welche lokal für den jeweiligen Netzwerkteilnehmer eine Diagnose des Netzwerks ermöglicht. In diesem Falle handelt es sich um eine dezentrale Datenverarbeitung (engl. edge computing).
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn mittels zumindest der ersten und zweiten Überwachungseinheit ermittelte Aussagen über das Netzwerk gemeinsam analysiert, insbesondere miteinander verglichen, werden. Auf diese Art und Weise können beispielsweise Ursachen für Netzwerkanomalien oder für Abweichungen des aktuellen Zustands von einem Referenzzustand des Netzwerks lokalisiert werden. Umgekehrt kann im Falle, dass alle, insbesondere die erste und zweite, Überwachungseinheiten einen funktionsfähigen Zustand des Netzwerks melden, darauf geschlossen wird, dass das gesamte Netzwerk funktionsfähig ist.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn anhand der Analyse eine Zustandsüberwachung des Netzwerks vorgenommen wird. Vorteilhaft kann der Zustand des Netzwerks an unterschiedlichen Positionen überprüft werden, so dass umfangreiche Rückschlüsse über den Zustand des Netzwerks möglich sind.
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In einer Ausgestaltung wird eine Anomalie in dem Netzwerk zu erkannt. Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit dazu ausgestaltet, eine Anomalie in dem Netzwerk zu erkennen.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Erkennung der Anomalie mittels einer auf Methoden der Künstlichen Intelligenz basierten Anomalie-Erkennung durchgeführt wird. Insbesondere ist die Überwachungseinheit dazu ausgestaltet, die Anomalie-Erkennung durchzuführen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Überwachungseinheit dazu ausgestaltet ist, die zumindest eine Aussage über den Zustand des Netzwerks anhand einer Methode des maschinellen Lernens zu ermitteln. Bevorzugt wird in diesem Zusammenhang zumindest eine Zeitreihen-Analyse verwendet oder es wird eine Parameter-Überwachung vorgenommen. Beispielsweise kann eine autoregressive Methode, insbesondere ein Moving-Average-Modell wie das Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA)-Modell verwendet werden. Alternativ ist es möglich, eine Clusteranalyse, insbesondere eine dichtebasierte räumliche Clusteranalyse wie z. B. die dichtebasierte räumliche Clusteranalyse mit Rauschen (engl. Density-based spatial clustering of applications with noise, DBSCAN) oder ein k-Means-Algorithmus zu verwenden. Alternativ können auch neuronale Netze zum Einsatz kommen, wie beispielsweise ein Autoencoder oder ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Überwachung eines, insbesondere drahtlosen, vermaschten Netzwerks mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.
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Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt anwendbar sind und umgekehrt.
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Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Zuverlässigkeit eines Mesh-Netzwerks deutlich verbessert werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein vermaschtes Netzwerk mit einer Leitwarte und mehreren Netzwerkteilnehmern,
- 2 ein vermaschtes Netzwerk mit einer Überwachungseinheit, welche gemeinsam mit der Leitwarte angeordnet ist,
- 3 ein vermaschtes Netzwerk mit zwei Überwachungseinheiten, welche an unterschiedlichen Positionen des Netzwerks angeordnet sind, und
- 4 ein vermaschtes Netzwerk, wobei jedem Netzwerkteilnehmer eine Überwachungseinheit zugeordnet ist.
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In 1 ist ein Mesh-Netzwerk 1 mit einer Leitwarte LW und acht Netzwerk-Teilnehmern N1-N8 dargestellt, bei denen es sich beispielsweise um Feldgeräte in einem Prozess handeln kann. Das Netzwerk 1 ist hier beispielhaft ein drahtloses Netzwerk. Jeder Netzwerk-Teilnehmer N ist mit einem oder mehreren weiteren Netzwerk-Teilnehmern N und/oder der Leitwarte LW verbunden. Es sei darauf verwiesen, dass auch Netzwerke 1 ohne Leitwarte LW möglich sind und unter die vorliegende Erfindung fallen. In dem Netzwerk 1 werden verschiedene Netzwerk-Nachrichten M verschickt, die über verschiedene Wege zum jeweiligen Ziel gelangen, beispielsweise schickt die Leitwarte LW über Netzwerk-Teilnehmer N6 eine erste Netzwerk-Nachricht M1 an Netzwerk-Teilnehmer N5. Netzwerk-Teilnehmer N8 schickt eine zweite Netzwerk-Nachricht M2 über Netzwerk-Teilnehmer N7 an die Leitwarte LW und Netzwerk-Teilnehmer N5 sendet eine Netzwerk-Nachricht M3 über Netzwerk-Teilnehmer N4 an Netzwerk-Teilnehmer N1.
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Im fortlaufenden Betrieb kann es zu verschiedenen Problemen kommen, die das Senden und Empfangen von Netzwerk-Nachrichten M verzögern oder es kann auch zum Verlust von Datenpaketen oder ganzen Nachrichten kommen. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Zuverlässigkeit von Mesh-Netzwerken 1 verbessert werden. Dazu kommt eine Überwachungseinheit C zum Einsatz, mit welcher eine Aussage über den Zustand des Netzwerks 1 gemacht werden kann.
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Eine erste Ausgestaltung für ein derartiges Netzwerk 1 ist Gegenstand von 2. Das Netzwerk 1 aus 2 entspricht weitgehend dem aus 1 mit dem Unterschied, dass der Leitwarte LW eine Überwachungseinheit C zugeordnet ist. Die Überwachungseinheit C kann in anderen Ausgestaltungen aber auch separat angeordnet sein. In 2a ist ein Referenzzustand R des Netzwerks dargestellt, welcher bezüglich der Kommunikation der Netzwerk-Teilnehmer N, LW untereinander dem in Zusammenhang mit 1 dargestellten Zustand entspricht.
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Ein beispielhafter aktueller Zustand des Netzwerks 1 ist dagegen in 2b illustriert. Kommt es beispielsweise zur Störung einer Funkstrecke zwischen der Leitwarte LW und dem Netzwerk-Teilnehmer N6, so muss zur Übertragung der ersten Nachricht M1 eine neue, hier längere Route über die Netzwerk-Teilnehmer N6, N2 und N1 gewählt werden. Eine solche Störung kann beispielsweise durch fremde elektromagnetische Felder, fremde, interferierende Netzwerke oder den Ausfall eines Netzwerk-Teilnehmers N verursacht werden. Beispielsweise können sich die Anzahl an Knoten sowie die Namen, Adressen und/oder Reihenfolge der Knoten oder auch die Sendestrecke, die die Netzwerk-Nachricht M1 durchläuft, ändern. Es kann zu geänderten Reihenfolgen beim Durchlaufen verschiedener Netzwerkknoten, zu eine Änderung von Bearbeitungs- bzw. Weiterleitungszeitpunkten, zu einem Stau an einem bestimmten Knoten kommen. Aber auch eine außergewöhnlich hohe Auslastung einer Recheneinheit eines Netzwerkteilnehmers, beispielsweise eines Feldgeräts, aufgrund anderweitiger Aufgaben der Recheneinheit, kann detektiert werden.
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Durch die Störung der Funkstrecke kommt es beispielsweise zu einer Verzögerung der Nachrichtenübertragung an Netzwerk-Teilnehmer M5. Dies kann wiederum die Nachrichtenübertragung zwischen den Netzwerk-Teilnehmern N3 und N5, bzw. die Netzwerk-Nachricht M3 negativ beeinflussen.
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Ein weiteres Beispiel für eine Abweichung vom Referenzzustand R ist der Ausfall eines Netzwerk-Teilnehmers, hier N8. In diesem Falle wird die Netzwerk-Nachricht M2 nicht mehr über den Netzwerk-Teilnehmer N7 an die Leitwarte LW geschickt, so dass sich die Anzahl der weitergeleiteten Nachrichten für Netzwerk-Teilnehmer N7 reduziert. Dies kann durch einen ungewollten Ausfall des Netzwerk-Teilnehmers N8 hervorgerufen sein, oder einem normalen Betriebszustand des Netzwerks 1 entsprechen, beispielsweise, weil Netzwerk-Teilnehmer N8 zyklisch ausgeschaltet wird, ggf. um Energie zu sparen. Solche normalen Betriebszustände des Netzwerks können hinsichtlich des Referenzzustands mit erlernt werden, so dass zwischen regulären und irregulären Ausfällen unterschieden werden kann.
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Außerdem kann es zu Abweichung hinsichtlich eines Jitters in dem Netzwerk 1 kommen. Jede Netzwerk-Nachricht Mi ist mit einem Jitter ji belegt, welcher unter anderem von einer Auslastung des Netzwerks 1 und/oder mit dem Entstehen der zu übermittelnden Netzwerknachricht Mi, im Falle eines Feldgeräts in Form eines Sensors beispielsweise mit unterschiedlichen Messzeitpunkten, zusammenhängt. Die Nachricht M1, welche üblicherweise über den Netzwerk-Teilnehmer N6 übermittelt wird, wird im Falle einer Störung der Verbindung zwischen der Leitwarte LW und N6 stattdessen über N1, N2 und N6 weitergeleitet. Dabei kommt es zu einem zeitlichen Versatz hinsichtlich der Nachrichtenübertragung, da für jede Weiterleitung zusätzliche Zeit benötigt wird. Durch die zusätzlichen Jitter ji, die beispielsweise auf diese Weise entstehen, kommt es geänderten Meta-Daten bezüglich der Übertragung der jeweiligen Netzwerk-Nachricht Mi, welche mittels der Überwachungseinheit C erkannt werden können.
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Diese und viele andere Abweichungen von dem Referenzzustand R sind mittels der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit C erkennbar, so dass mittels der Überwachungseinheit C eine Aussage über den jeweils aktuellen Zustand des Mesh-Netzwerks 1 möglich ist.
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Zur Diagnose des Netzwerks 1 wird der Überwachungseinheit C zumindest eine erfasste Information I zur Verfügung gestellt, wie beispielsweise die Übertragungsdauer oder Sendestrecke für eine Netzwerk-Nachricht M oder die Anzahl an durchlaufenen Verbindungsknoten, eine Anzahl an weitergeleiteten Netzwerk-Nachrichten M, Namen, Adressen und/oder Reihenfolge der Knoten. Die Überwachungseinheit C kann beispielsweise in einem ersten Schritt den Referenzzustand R erlernen und im fortlaufenden Betrieb Abweichungen von dem Referenzzustand R oder einer daraus abgeleiteten Referenzinformation IR ermitteln. Dabei können ein oder mehrere Referenzzustände R erlernt werden. Vorzugsweise werden mehrere oder alle normalen Betriebszustände erlernt.
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Bei dem in 3 dargestellten Mesh-Netzwerk 1 sind zwei Überwachungseinheiten C1 und C2 vorhanden, welche an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Netzwerks 1 angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass jeder Netzwerkteilnehmer N1-N8 und LW mit einer Überwachungseinheit C1-C8 ausgestattet ist, wie in 4 illustriert. Auf diese Weise kann jeweils mit jeder Überwachungseinheit C1 - C8 ein Abschnitt des Netzwerks 1 überwacht und ein Zustand eines Teils des Netzwerks 1 von den einzelnen Knoten aus diagnostiziert werden. Die Diagnosen der verschiedenen Überwachungseinheiten C1 - C8 können geeignet miteinander kombiniert werden, um eine Aussage über das gesamte Netzwerk 1 zu ermitteln. Zusätzlich ist im Falle der Ausgestaltung gemäß 4 optional eine Überwachungseinheit C0 vorgesehen, welche im Bereich der Leitwarte LW angeordnet ist und welche zur Überwachung des gesamten Netzwerks 1 und/oder der Überwachungseinheiten C1 - C8 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- vermaschtes Netzwerk
- N, N1-N8
- Netzwerk-Teilnehmer, zB. Feldgeräte
- C, C0-C8
- Überwachungseinheiten
- M, M1-M3
- Netzwerk-Nachrichten
- LW
- Leitwarte
