[发明专利]容错以太网

说明书

技术领域

本发明一般涉及容错电子通信网络，尤其涉及迅速操作以纠正在网络组件故障时所发生的错误并且适合于实时工业控制的容错网络。

背景技术

工业控制器是提供制造设备、机器以及过程的实时的高度可靠的控制的专用计算机。通常，工业控制器执行所存储的程序以经由一组输入/输出(I/O)电路通过与工业控制器连接的传感器来读取来自机器或过程的输入。基于这些输入，工业控制器生成用于通过致动器等控制机器或过程的输出信号。

通常，工业控制系统的组件将分布在整个工厂各处，因而将通过提供使用专用协议进行的高速操作(以允许实时控制)的专用通信网络进行通信，以确保数据被可靠且可预测地传送。

理想地，工业控制系统的组件可以使用常用网络组件例如通常可用的以太网组件互连。这一能力可削减建立和维护网络的成本，并且在某些情形中将允许使用现有网络基础结构。另外，使用诸如以太网等常用网络的能力可便于与工业控制系统外部的或控制过程中不直接涉及的设备通信。

采用以太网和类似的标准网络的一个障碍在于它们不是容错的，即在小到一个网络组件中的故障都会引起网络失效，这在可靠性至关重要的工业控制系统中是不可接受的可能性。

现有技术提供了几种提高以太网及类似网络的容错性的方法。第一种方法是使用其中各个终端设备(节点)用由互连的组件(诸如交换机)和通信介质构成的环与其它节点连接的环形拓扑。环形网络的操作是由环管理器设备用特殊软件控制的。环中一个组件或介质段的故障仍提供每一节点之间的第二路径。在正常操作模式下，此第二路径由环管理器设备封锁。在检测到网络故障时，环管理器设备将重新配置网络以使用第二路径。这样的系统提供100微秒至500毫秒量级上的网络故障纠正。缺点在于不能容许多个错误(例如两段介质的故障)。

第二种方法为每一节点配备用于控制该节点与两个或多个不同网络的连接的软件“中间件”。在组件或介质故障的情况下，该中间件改变本地网络接口以在使用新以太网地址的后备网络上发送和接收消息。中间件与在其它节点处的中间件通信以更新这一改变的地址。此方法能容许多个错误，但重新配置网络所需的时间可能会多达30秒。此后一种方法的另一问题在于需要多个网络(一个用于主要使用，一个用于后备)，这可能难以维护，由此不可避免地存在配置和性能的差异。

在第三种方法中，使用具有两个或多个冗余网络基础结构的单个网络，并且每一设备设有多个端口，且每一端口与该网络的一冗余基础结构连接。每一设备中的中间件设有通过多个基础结构通向网络中的所有其它设备的替换路径。每一设备中的中间件定期在各替换路径上发送诊断消息并连续与所有其它设备中的中间件交换各路径的状态信息。当需要发送应用层消息时，源设备中的中间件将在当前路径状态信息的基础上选取到目标设备的有效路径。在一路径上有网络故障的情况下，设备中的中间件将或通过接收不到来自该路径上的其它设备的诊断消息或通过经由替换路径从其它设备接收到路径状态信息来检测到该故障。一检测到路径故障，该路径的状态信息就将被更新并且该路径将不被用于未来的传送。这类检测和重新配置通常可在1秒以内发生。

在有网络故障时重新配置各节点的这一需要从根本上限制了校正网络故障的速度，这既是因为需要复杂的软件(中间件)来检测故障和坐标地址或路径状态变化，又是因为与网络上的其它节点通信所需的时间。

发明内容

本发明通过为各终端节点提供均具有相同网址的两个网络连接很大程度上消除了重新配置其它终端节点的需要。响应于所检测到的故障由网卡中的硬件激活择一的网络连接。此硬件交换以及地址改变需要的消除甚至对于非常大的网络也可提供故障检测以及小于1毫秒的重新配置速度。

网络故障可以使用IEEE 802.3的标准机制来检测，例如本地故障，以及通过使用定位在网络上的特定信标使得信标包的丢失指示远程网络故障来检测。两种类型的故障均可以在硬件中容易地检测。

诸节点连接的单个网络被配置成使各节点之间存在多条路径。优选地，这是通过提供由高可靠度连接互连的至少两个主干交换机并将各终端节点直接或间接连接至两个交换机来完成的。

具体而言，本发明提供一种用于创建终端设备的容错以太网的系统，各终端设备由网络交换机和网络介质连接。该系统包括与各终端设备相关联并在终端设备的主微处理器与具有共同以太网址并可连接至不同网络介质的至少两个端口之间通信的以太网通信电路。该通信电路在发生影响第一个端口的错误时将终端设备切换至第二个端口。