CN1266894C - 基于冗余网络的数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冗余网络的数据通信方法，该冗余网络包括通过通信通路进行相互通信的若干节点，包括以下步骤：(1)每个节点分别设置本地节点的网络状态表，所述网络状态表包括本地节点的各个接口与所述网络的远端节点接口的通信信息；(2)每个节点的各个接口向所述远端节点周期性发送诊断消息，所述诊断消息包含本地节点的各个接口的接收状态信息；(3)每个节点的各个接口监听并接收所述诊断消息，然后根据所述诊断消息更新本地节点的网络状态表；(4)当发送数据时，查询本地节点的网络状态表，获得本地节点与远端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的通信通路，进行数据通信。

Description

基于冗余网络的数据通信方法

技术领域

本发明涉及一种数据通信方法，尤其涉及一种基于冗余网络的数据通信方法。

背景技术

由于用于工业控制的分布式控制系统需要快速可靠地处理和传输现场过程信息和操作管理信息，所以，通常要求其通信网络必须具有快速实时的响应能力和稳定可靠的传输能力。为此，目前的分布式控制系统通常采用了冗余网络实现系统的数据通信。而且，冗余网络按照通信模式主要分为单网冗余模式、双网独立模式和双网冗余模式。

请参阅图1A，其为单网冗余模式的原理结构示意图。其中，该网络包括若干节点，每个节点至少包括两个接口，节点与节点的接口之间通过一条通信线路进行数据通信。以每个节点有两个接口为例，第一节点1发送数据至第二节点2，有四种通信通路：(1)通过第一节点1的接口A发送至第二节点2的接口A’(后简称为A-A’)；(2)通过第一节点1的接口A发送至第二节点的接口B’(后简称为A-B’)；(3)通过第一节点1的接口B发送至第二节点2的接口A’(后简称为B-A’)；(2)通过第一节点1的接口B发送至第二节点的接口B’(后简称B-B’)。

假设第一节点1为发送端节点，第二节点2为接收端节点。当第一节点1通过接口A、接口B发送相同数据至第二节点2，第二节点2确定首先到达的数据为接收的数据。

请参阅图1B，其为双网独立模式的原理结构示意图。其中，该网络包括若干节点，每个节点包括至少两个接口，节点的接口之间通过彼此独立的通信线路进行通信。以每个节点有两个接口为例，第一节点1发送数据至第二节点2，有两种通信通路：A-A’和B-B’。

同样，第一节点1通过接口A、接口B发送相同数据至第二节点2，第二节点2确定首先到达的数据为接收的数据。

请参阅图1C，其为双网独立模式的原理结构示意图。该网络包括若干节点，每个节点至少包括两个接口，节点与节点的接口之间可以通过第一通信线路和第二通信线路进行数据通信。以每个节点有两个接口为例，第一节点1发送数据至第二节点2，有四种通信通路：(1)A-A’；(2)A-B’；(3)B-A’；(2)B-B’。

在专利号为98104275.9、发明名称为“以太网通信冗余方法”的中国专利中公开了一种上述双网冗余模式的数据通信方法。发送端节点(第一节点1)向第一通信线路和第二通信线路同时发送相同数据，接收端节点(第二节点2)确定首先到达的数据为接收的数据。

请参阅图2，图2为采用以太网切换器解决传输可靠性的冗余网络结构示意图。第一切换器3连接第一节点1，第二切换器4连接第二节点2，第一切换器3和第二切换器4通过两条通信通路连接。基于该冗余网络进行数据通信的方法为：首先，第一节点1发送数据经由第一切换器3后被并行切换到两条并行通信通路上；最后，第二节点2经由第二切换器4接收数据。该方法实现了数据冗余传输，增加了通信的可靠性。

上述公开的冗余网络节点在数据通信时，一般是发送端节点向每个通信通路发送相同数据，接收端节点在收到该些数据后需要对数据进行延时判断，才能确认哪个数据作为接收的数据，由此影响网络实时的响应能力。还有，在发送端节点不能预知网络的传输状态，只有在数据的传输过程中，才能判断网络的故障情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于冗余网络的数据通信方法，以解决现有技术中由于不能预知网络的传输状态，从而影响数据传输的实时性和可靠性的技术问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种基于冗余网络的数据通信方法，所述冗余网络包括通过通信通路进行相互通信的若干节点，包括以下步骤：

(1)每个节点分别设置本地节点的网络状态表，所述网络状态表包括本地节点的各个接口与所述网络的远端节点接口的通信信息；

(2)每个节点的各个接口向所述远端节点周期性发送诊断消息，所述诊断消息包含本地节点的各个接口的接收状态信息；

(3)每个节点的各个接口监听并接收所述诊断消息，然后根据所述诊断消息更新本地节点的网络状态表；

(4)当发送数据时，查询本地节点的网络状态表，获得本地节点与远端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的通信通路，进行数据通信。

步骤(3)中根据诊断消息更新节点的网络状态表包括：判断接收所述诊断消息的时间是否超出预先设定时间，若是，将网络状态表中的接收所述诊断消息的接口与发送所述诊断消息接口的通信状态置为“非正常”，否则，置为“正常”。

步骤(3)中根据诊断消息更新节点的网络状态表还包括：从接收到的诊断消息中解析出远端节点接收本地节点接口发送消息的接收状态，进而更新网络状态表中所述本地节点接口的通信状态。

当在预先设定的时间间隔内，未接收到一节点的诊断消息时，本地节点的网络状态表中本地节点与该节点的通信状态置为“非正常”。

所述诊断消息具体包含本地节点索引号、诊断消息传送间隔、发送所述诊断消息的接口标识、本地节点的每个接口的接收状态及发送尾号。

所述网络状态表具体包括各个节点的节点索引号、接口标识、诊断消息传送间隔、诊断消息发送状态、诊断消息接收状态。

步骤(2)中本地节点通过单播、组播或广播形式发送诊断消息。

所述网络包括单网冗余模式、双网独立模式和双网冗余模式。

一种网络通信节点，所述节点为一现场智能设备，包括：存储单元、连接模块、诊断消息发送模块、网络状态表更新模块和数据通信线路确定模块，其中存储单元，用于存储数据，它包括网络状态表存储子单元，用于保存本地节点的网络状态表；连接模块，当本地节点接入该冗余网络时，初始化本地节点，然后建立本地节点与所述冗余网络的连接；诊断消息发送模块，用于向网络的远端节点周期性发送诊断消息；网络状态表更新模块，用于各个接口监听并接收远端节点发送的诊断消息，并根据该诊断消息，更新存储单元中的网络状态表；通信通路确定模块，用于当本地节点要发送数据时，获得本地节点与接收端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的最佳通信通路，从而进行数据通信。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过设置和及时更新各个节点上的网络状态表，使得网络节点之间进行数据通信时，预先获得发送端节点和接收端节点的所有通信通路的通信状态，查找出最佳的通信通路，发送数据，提高了数据通信的速度。还有，当网络的通信通路上出现故障时，能够及时发现并排除，提高了数据通信的可靠性，从而克服了现有技术在进行节点之间数据通信时，不能预知网络的通信通路的故障的问题，更提高了网络的可靠性。

附图说明

图1A为单网冗余模式的原理结构示意图；

图1B为双网独立模式的原理结构示意图；

图1C为双网冗余模式的原理结构示意图；

图2为用以太网切换器解决传输可靠性的冗余网络结构示意图；

图3为本发明的冗余网络节点的结构示意图；

图4为本发明基于冗余网络的数据通信方法的流程图；

图5为诊断消息的以太网数据帧格式内容示意图；

图6为实施例所采用的网络状态表的格式示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

冗余网络包括控制中心和若干控制站(后称为节点)，控制中心主要负责整个网络的组态监控等控制工作。请参照图3，其为一个节点的结构示意图。它包括存储单元11、连接模块13、诊断消息发送模块14、网络状态表更新模块15和数据通信线路确定模块16。其中，

存储单元11，用于存储数据，它包括网络状态表存储子单元111，用于保存本地节点的网络状态表；

连接模块13，当本地节点连接至该网络时，配置本地节点的IP地址，对本节点的各个接口分别进行标识，初始化网络状态表，然后在控制中心作用下建立本地节点与网络的连接，保存控制中心发送的本地节点的配置参数：节点索引号、诊断消息发送周期、网络交叉探测标识等；

诊断消息发送模块14，用于向网络的其它远端节点周期性发送诊断消息；

网络状态表更新模块15，用于各个接口监听并接收其它远端节点发送的诊断信息，并根据该诊断信息，更新存储单元11中的网络状态表；

通信通路确定模块15，用于当节点要发送数据时，获得发送端节点与接收端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的最佳通信通路，从而进行数据通信。

本发明还公开了一种基于冗余网络的数据通信方法，该冗余网络包括上述结构的若干节点，包括以下步骤(请参照图4)：

S110：每个节点分别设置本地节点的网络状态表，该网络状态表包括本地节点的接口与其它远端节点接口的通信信息；

通信信息包括本地节点的各个接口的接收信息和发送信息。所述信息包括“正常”和“非正常”两种状态。当本地节点接入网络之初，可以预先初始化网络状态表，如设置本地节点的各个接口与其它远端节点的接口的通信信息为“非正常”状态，根据后续收到的其它远端节点接口发送的诊断消息，可以重新更新该网络状态表；

S120：每个节点的各个接口向其它远端节点周期性发送包含本地节点的各个接口接收其它远端节点接口消息的接收状态信息的诊断消息；

当在预先设定的时间内收到其它远端节点接口发送的诊断消息等数据时，则将接收该诊断消息的接口接收发送接口的接收状态置为“正常”。

诊断消息除了包含本地节点的各个接口与其它节点接口的通信信息外，还包含本地节点的状态参数，如本节点的索引号、发送接口的标识、发送诊断消息的时间间隔等。该些状态参数一般是在本地节点接入网络时，由网络的控制中心进行分配并发送至本地节点保存；

S130：每个节点的各个接口监听并接收所述诊断消息，然后根据所述诊断消息更新本地节点的网络状态表；

接收端节点判断接收诊断消息的时间是否超出预先设定时间，若是，将网络状态表中的接收所述诊断消息的接口接收所述发送接口的通信状态置为“非正常”，否则，置为“正常”；

从所述诊断消息中解析出接收端节点的各个接口的发送状态，进而更新网络状态表中接收端节点的各个接口的发送状态；

当在预先设定的时间间隔内，如果未收到某个节点的诊断消息，本地节点的网络状态表中本地节点的接口与该节点的通信状态置为“非正常”；

当更新后的网络状态表又作为下一次发送的诊断消息的依据，周而复始，使得网络状态表中保存着当前本地节点与其它远端节点的通信通路的通信状态；

S140：当要发送数据时，查询发送端节点的网络状态表，获得发送端节点与接收端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的最佳通信通路，从而进行数据通信。

以下以太网为例，具体说明本发明的基于冗余网络的数据通信方法。

请参照图5，其为诊断消息的以太网数据帧格式内容示意图。该数据帧除了包括以太网首部21、IP首部22、UDP首部23和以太网尾部25外，还包括诊断消息数据内容24，其诊断消息数据内容24包括本地节点索引号、本地节点接口数目、传送本消息的接口标识、诊断消息传送间隔、本地节点各个接口的接收状态标识和发送尾号。

其中，本地节点索引号是发送该诊断消息的节点标识，并且节点索引号在网络的同一网段上是唯一的，也是节点的标识；

本地节点接口数目为本地节点用于冗余传输的接口数目，在本实施例中节点均以两个接口为例；

传送本诊断消息的接口标识是本地节点的冗余网络接口中发送本地诊断消息的接口标识；

诊断消息传送间隔是指发送两个连续的诊断消息之间的时间间隔，作为判断通信通路是否存在故障的依据之一；

接收状态标识为本地节点的各个接口接收其它远端节点接口的发送诊断消息的接收状态。

以单网冗余模式和双网冗余模式为例，远端节点有两个冗余接口A、B，本地节点也有两个冗余接口A’、B’，则本点节点有A-A’、B-A’、A-B’、B-B’四条通信通路接收消息，相应地，该本地节点有四个接收状态标识：接收状态标识A->A’、接收状态标识B->A’、接收状态标识A->B’、接收状态标识B->B’；接收状态标识A->A’为接口A’接收其它节点的A接口发送消息的接收状态，接收状态标识B->A’为接口A’接收其它节点的B接口发送消息的接收状态，接收状态标识A->B’为接口B’接收其它节点的A接口发送消息的接收状态，接收状态标识B->B’为接口B’接收其它节点的B接口发送消息的接收状态；

以双网独立模式为例，远端节点由两个冗余接口A、B，本地节点也由两个冗余接口A’、B’，则接收端节点有A->A’、和B->B’两条通信通路接收消息；

每一接收状态标识为一组位串，该位串的长度通常为该网络所能接入的网络节点的最大值。假设该冗余网络中节点的个数为8，将每个节点按照节点索引号对应标识为1，2，3，4，5，6，7，8，比如：发送诊断消息的本地节点A’的标识为3，诊断消息接收状态标识A->A’的位串为：

1

1

0

0

0

1

1

1

每一位代表其它远端一个节点的接口A到发送该诊断消息的本地节点A’接口的接收状态，1表示接收非正常状态(未接收或是接收不正常)，0表示接收正常。除了标识4和标识5节点的A接口到发送该诊断消息节点A’接口的接收状态为正常，A’接口接收其它标识节点的A接口为非正常；

接收状态标识从发送该诊断消息的节点的网络状态表中读取；

发送尾号为发送端节点发送诊断消息的次数，每次发送后自动加1。

图6为本实施例所采用的网络状态表的格式示意图。

网络状态表包括网络上所有节点的信息内容，其中每一节点的信息内容包括节点索引号31、节点的各个接口地址32、诊断消息接收次数33、诊断消息传送间隔34、诊断消息发送状态35、诊断消息接收状态36、线路交叉状态37等。

节点索引号31是该节点在网段上的某一标识；

节点的各个接口标识32为该节点的各个接口的标识；

诊断消息接收次数33为本地节点的接口接收该节点的诊断消息的接收次数，这可以从接收的该节点发送的诊断消息的发送尾号中获得；

诊断消息传送间隔34即该节点发送两个连续的诊断消息之间的时间间隔；

诊断消息发送状态35和诊断消息接收状态36是该节点的各个接口发送状态信息和接收状态信息，相对于本地节点的相应接口的接收状态和发送状态；

对于单网冗余模式和双网冗余模式均由四种网络状态标识，分别是A->A、A->B、B->A、B->B；

而对于双网独立模式由两种网络状态标识，即A->A、B->B；

每一状态标识包括一组位串，对于诊断消息发送状态，每一位代表该远端节点相应接口发送诊断消息到本地节点相应接口的状态，它根据诊断消息接收次数判断该发送状态是否正常；对于诊断消息接收状态，每一位代表该远端节点相应接口从本地节点相应接口接收诊断消息的状态；

线路交叉状态37是用于在双网独立网络中表示两个冗余网络是否出现线路交叉的情况，例如若出现A->B或是B->A情况时，线路交叉状态置位；

上述的参数是在本地节点网络状态表中维护的远端节点的信息内容，因此，其中“诊断消息发送状态”和“诊断消息接收状态”对于本地节点而言，即对应于“本地节点接收状态”和“本地节点发送状态”。“本地节点接收状态”即“诊断消息发送状态”是根据诊断消息发送尾号确定，例如，对于单网冗余或双网冗余模式的本地节点的A接口和B接口来说，收到诊断消息后，获取来自同一远端节点的同一接口的诊断消息的尾号；对于双冗独立模式的本地节点的A接口和B接口来说，收到诊断消息后，获取来自同一远端节点的相应接口的诊断消息的尾号；然后，对其尾号进行比较判断，若其差值超过系统设置的某一阀值时，表明接收诊断消息发送尾号小的接口及线路出现故障，这一信息被写入网络状态表的“本地节点接收状态”，此“本地节点接收状态”用于在构建由本地节点发送的下一条诊断消息时获取作为其“接收状态标识”；而前述诊断消息中所携带的“接收状态标识”用于更新网络状态表中的本地节点发送状态，该本地节点发送状态用于发送数据时查询其发送状态信息，确定最佳通信线路；

另外，在节点各接口每接收到一个诊断消息时，均重新启动定时器，若在定时器的预设时间间隔内未接收到其中某一节点发送的诊断消息时，则在将该节点从本地的网络状态表中摘除。

基于上述的网络，本发明所述的实现网络冗余的通信方法，其步骤如下：

连接步骤：当一节点需要启用时，其通过通信通路接入网络，然后配置该本地节点各冗余网络接口的IP地址，并对各接口分别进行标识，当网络中的组态监控程序检测到该节点时，为该节点配置相关参数，包括节点索引号、诊断消息发送周期、网络交叉探测标识等，建立该本地节点与网络中其它远端节点的连接；

诊断消息发送步骤：本地节点各网络接口向网络上其它节点周期性的发送诊断消息。诊断消息内容包括本地节点状态配置参数以及本地节点接收网络上其他远端节点的通信状态参数，其中本地节点状态配置参数从本地节点中读取，而本地节点接收网络上其他节点的通信状态参数从本地节点维护的网络状态表中获取；

接口监听和网络状态表维护步骤：各网络接口监听网络上发布的诊断消息，收到网络诊断消息后，根据诊断消息判断并更新网络状态表的相应参数；所述相应参数主要包括本地节点各网络接口的接收状态和发送状态；接收状态是通过对诊断消息中发送尾号的统计计算和差值比较确定该网络接口的接收状态是否正常；所述发送状态是通过诊断消息中接收状态标识解析出来，即由远端节点发送诊断消息中的接收状态值确认本地节点该网络接口的发送状态值。

查询网络状态表信息确定数据通信线路步骤：在本地节点要发送数据时，本地节点查询本地的网络状态表，获取发送该数据的所有可用通信线路的健康状态从而确定发送该数据的最佳通信线路，发送用户数据。确定数据通信线路还包括在多播和广播的情况下，通过统计发送接口的各发送状态的健康比重确定多播和广播的发送接口。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此。任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1、一种基于冗余网络的数据通信方法，应用于工业控制的分布式控制系统中，所述冗余网络包括通过通信通路进行相互通信的若干节点，其特征在于，包括以下步骤：

(1)每个节点分别设置本地节点的网络状态表，所述网络状态表包括本地节点的各个接口与所述网络的远端节点接口的通信信息；

(2)每个节点的各个接口向所述远端节点周期性发送诊断消息，所述诊断消息包含本地节点的各个接口的接收状态信息；

(3)每个节点的各个接口监听并接收所述诊断消息，然后根据所述诊断消息更新本地节点的网络状态表；

(4)当发送数据时，查询本地节点的网络状态表，获得本地节点与远端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的通信通路，进行数据通信。

2、如权利要求1所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，步骤(3)中根据诊断消息更新节点的网络状态表包括：

判断接收所述诊断消息的时间是否超出预先设定时间，若是，将网络状态表中的接收所述诊断消息的接口与发送所述诊断消息接口的通信状态置为“非正常”，否则，置为“正常”。

3、如权利要求2所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，步骤(3)中根据诊断消息更新节点的网络状态表还包括：

从接收到的诊断消息中解析出远端节点接收本地节点接口发送消息的接收状态，进而更新网络状态表中所述本地节点接口的通信状态。

4、如权利要求1或3所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，还包括：当在预先设定的时间间隔内，未接收到一节点的诊断消息时，本地节点的网络状态表中本地节点与该节点的通信状态置为“非正常”。

5、如权利要求1或3的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，所述诊断消息具体包含本地节点索引号、诊断消息传送间隔、发送所述诊断消息的接口标识、本地节点的每个接口的接收状态及发送尾号。

6、如权利要求1或3所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，所述网络状态表具体包括各个节点的节点索引号、接口标识、诊断消息传送间隔、诊断消息发送状态、诊断消息接收状态。

7、如权利要求1所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，步骤(2)中本地节点通过单播、组播或广播形式发送诊断消息。

8、如权利要求1所述的基于冗余网络的数据通信方法，其特征在于，所述网络包括单网冗余模式、双网独立模式和双网冗余模式。

9、一种网络通信节点，所述节点为一现场智能设备，其特征在于，包括：存储单元、诊断消息发送模块、网络状态表更新模块和数据通信线路确定模块，其中，

存储单元，用于存储数据，它包括网络状态表存储子单元，用于保存本地节点的网络状态表；

诊断消息发送模块，用于向网络的远端节点周期性发送诊断消息；

网络状态表更新模块，用于各个接口监听并接收远端节点发送的诊断消息，并根据该诊断消息，更新存储单元中的网络状态表；

通信通路确定模块，用于当本地节点要发送数据时，获得本地节点与接收端节点的所有通信通路的通信状态，进而确定发送该数据的最佳通信通路，从而进行数据通信。

10、如权利要求9所述的网络通信节点，其特征在于，还包括：连接模块，当本地节点接入该冗余网络时，初始化本地节点，然后建立本地节点与所述冗余网络的连接。

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