DE4242438C2 - Vorrichtung zur Ausnutzung der Redundanz bei Datenringen in Doppelringtopologie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Über­ tragen von Daten in doppelringförmigen Kanälen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verwendet man zur Datenübertragung eine Doppelringtopologie und ein zentralisiertes Kanalzugriffsverfahren, so sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die dann vorhandene Redundanz zur Steigerung der Verfügbarkeit auszunutzen:

• 1) Aus Schicker, Pietro: Datenübertragung und Rechnernetze, Stuttgart 1986, S. 165 ff., ist es bekannt, bei Ringnetzen einen zweiten gegenläufigen Ring zur Ausfallsicherung aufzubauen. Hierbei werden bei Ausfall einer Station oder bei Unterbrechung einer Verbindungsleitung die Signale bei der letzten Station vor der Fehlerquelle auf den Gegenring eingespeist und bis zur Station nach der Fehlerquelle weitergeleitet und auf den ursprünglichen Ring zurückgespeist.
• 2) Weiterhin ist es aus Löffler, Helmut: Lokale Netze, München, Wien 1988, S. 148, bekannt, bei Bussystemen eine Redundanzerhöhung in Form von Doppelbussen zu erreichen. Bei Ringsystemen entspricht dies einem doppelten Datenring, bei dem beide Datenringe aktiv sind und sämtliche Telegramme auf beiden Ringen gesendet werden (redundante Telegramme).

Das Verfahren 1) hat den Nachteil, daß im Normalbetrieb nur die halbe Übertragungskapazität ausgenutzt wird und daß ein Verfahren erforderlich ist, welches den redundanten Kanal ständig auf Ausfall überwacht. Bei dem Verfahren 2) werden beide Datenkanäle aktiv betrieben, so daß ein Fehler unmit­ telbar offenbart wird. Es wird jedoch ebenfalls maximal die halbe Übertragungskapazität ausgenutzt und es ist zusätz­ licher technischer Aufwand erforderlich, um die redundanten Telegramme einander zuzuordnen.

Schließlich ist aus der DE 31 27 321 C2 eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dabei tauschen gleichberechtigte Stationen Daten untereinander aus, wobei auf einen zentralen Zugriff verzichtet wird. Beim Auftreten eines Fehlers werden die Daten über den intakten Ring oder Bypaßwege auf den anderen Ring übertragen.

Nachteil hierbei ist einerseits, daß Konfigurationslisten bearbeitet werden müssen und zum anderen, daß bei der Übertragung der Daten von einem Ring auf den anderen Ring die Daten von zwei Prozessoren bearbeitet werden müssen und dies demzufolge einen erhöhten Aufwand an Hardware und benötigter Übertragungszeit bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, die die Nachteile der drei vorgenannten Schriften beseitigt.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Konfiguration der ringförmigen Kanäle A, B exemplarisch für 10 Untersta­ tionen A1-A5, B1-B5 und die Hauptstation HS dargestellt. Die Unterstationen A1 bis A5 erhalten und übertragen erfin­ dungsgemäß ihre Daten auf Kanal A, die Unterstationen B1 bis B5 auf Kanal B. Die Kanäle A, B können aus Sicht einer Unterstation An, Bn verschiedene Zustände annehmen:

• - aktiv: Die Unterstation empfängt sämtliche Telegramme auf diesem Datenkanal und sendet ihre Telegramme auch auf diesem Datenkanal ab. Dies wird durch das liegende Oval dargestellt.
• - passiv: Die Unterstation betrachtet den Datenkanal als vollständig funktionsfähig. Durch die einge­ stellte Konfiguration empfängt sie keine Tele­ gramme. Der Kanal wird von der Unterstation als Reservekanal betrachtet, auf dem keine eigenen Telegramme gesendet werden. Dies wird durch die unterbrochenen Linien dargestellt.
• - inaktiv: Die Unterstation stellt fest, daß auf diesem Datenkanal keine Daten übertragen werden können. Sie sendet sämtliche Telegramme auf dem jeweils anderen Kanal. Im Fehlerfall kann nicht auf die­ sen Kanal zurückgegriffen werden. Dies wird durch ein X dargestellt.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Unterstation An, Bn. Sie weist zwei Sender SA, SB und zwei Empfänger EA, EB auf. Jeder Kanal A, B hat eine spezielle Kanaladresse, die mit der Basisadresse jeder Unterstation verknüpft wird. Damit besitzt jede Unterstation A1-A5, B1-B5 zwei unterschiedliche Stationsadressen in den beiden Kanälen A, B:

Stationsadresse = Basisadresse + Kanaladresse (1).

Im Normalbetrieb sind die Schalter S01 und S02 geschlossen und die Schalter S03 und S04 geöffnet.

Fällt einer der beiden Kanäle A, B aus, so wird der Daten­ verkehr vom jeweils anderen Kanal übernommen. Fällt der Kanal A aus, so werden die Datentelegramme der Unterstatio­ nen A1 bis A5 zusätzlich auf Kanal B übertragen, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Beim Ausfall von Kanal B wird der Telegrammverkehr von und zu den Unterstationen B1 und B5 über den Kanal A abgewickelt (Fig. 4).

Liegt ein Komplettausfall einer Unterstation vor, bzw. wer­ den beide Kanäle A, B an einer Stelle unterbrochen, so wird der Datenverkehr nach kurzer Umkonfiguration fortgesetzt. Es wird eine Umkonfiguration der dem Fehlerort benachbarten Unterstationen An, Bn nach Fig. 5 bzw. Fig. 6 vorge­ nommen. Danach ist der Sender von Kanal A mit dem Empfänger von Kanal B der umkonfigurierten Unterstation An, Bn ver­ bunden und umgekehrt. Um das Bearbeiten von Konfigurations­ listen in der Hauptstation zu verhindern, wird bei einem solchen Fehler jedes Datentelegramm zu den Unterstationen auf beiden Kanälen A, B übertragen. Durch die oben beschriebene Adreßvergabe ist die Stationsadresse immer eindeutig. Das Datentelegramm erreicht auf jeden Fall die betreffende Unterstation. Zum Einstellen dieser Konfi­ guration dient der Schalter S03 bzw. S04 nach Fig. 6. Der Schalter S01 bzw. S02 ist dann geöffnet.

Die Steuerung dieses Verfahrens wird in erster Linie durch die Hauptstation durchgeführt. Die Unterstationen sind durch spezielle Algorithmen beteiligt. Im Normalbetrieb be­ sitzt jede Unterstation einen Vorzugskanal, auf dem sie Tele­ gramme empfängt und sendet. Nach Fig. 1 haben die Unter­ stationen A1 bis A5 den Vorzugskanal A und die Unterstatio­ nen B1 bis B5 den Vorzugskanal B. Die Verteilung der Unter­ stationen An, Bn auf die Kanäle kann nach einer speziellen Verteilungsfunktion durchgeführt werden, die eine Gleich­ verteilung der Stationsadressen auf die beiden Kanäle si­ cherstellt und die leicht zu berechnen ist:

Vorzugskanal = f (Basisadresse) (2).

Denkbar sind Hash-Funktionen oder andere Algorithmen bei speziellen Konfigurationen (z. B. redundanten Unterstatio­ nen). Die Berechnung dieser Verteilungsfunktion muß dann gleichermaßen in der Hauptstation wie auch in den Unterstationen durchgeführt werden.

Jede Unterstation ermittelt anhand ihrer eingestellten Ba­ sisadresse in der Initialisierungsphase nach Gleichung (1) ihre Stationsadressen und mit Hilfe der Verteilungsfunktion (2) ihren Vorzugskanal. Möglich ist auch eine fest vorgege­ bene Verteilung der einzelnen Unterstationen An, Bn auf die Kanäle A, B. Die Unterstationen An, Bn überwachen ständig den Zustand beider Kanäle A, B. Sind beide Kanäle A, B funktionsfähig, so sendet die jeweilige Unterstation An, Bn ihre Telegramme ausschließlich auf ihrem Vorzugskanal. Beim Ausfall des Vorzugskanals sendet sie sämtliche Telegramme auf ihrem Reservekanal. Liegt ein Fehler nach Fig. 5 bzw. Fig. 6 vor, so bemerkt die Unterstation diesen Fehler nicht und sendet ihre Telegramme weiter auf dem Vorzugs­ kanal.

Fig. 7 zeigt das Funktionsschema zur Steuerung der Daten­ ströme in der Hauptstation HS. Die zu sendenden Telegramme werden dem Kanalsektor 01 zugeführt, der durch Berechnung mit der Verteilungsfunktion (2) oder nach fest vorgegebenem Schema die Telegramme aufteilt. Im Normalbetrieb sind die Schalter 03 und 13 geschlossen, die Schalter 04 und 14 geöffnet. Die Telegramme für Kanal A werden über den Multi­ plexer 05 der Kanalkodierung 06 zugeführt. Hier wird mit Hilfe der Kanaladresse 09 durch Gleichung (1) die Zieladresse der Unterstation A1-A5 berechnet. Anschließend wird der Bitstrom zur Übertragung in der Leitungskodierung 07 leitungskodiert und über den geschlossenen Schalter 08 dem Übertragungskanal A zugeführt. Das Senden von Telegram­ men auf den Datenkanal B erfolgt entsprechend: Multiplexer 15, Kanalkodierer 16, Kanaladresse 19, Leitungskodierer 17 und Schalter 18 sind entsprechend aufgebaut. Werden auf dem Kanal A Daten empfangen, so wird zunächst mit Hilfe der Leitungsdekodierung 21 der Bitstrom ermittelt und der Kanalausblendung 22 zugeführt. Hier wird in der Quelladresse die Kanaladresse eliminiert, es bleibt die eindeutige Basisadresse erhalten. Die Verarbeitung von emp­ fangenen Telegrammen auf dem Übertragungskanal B erfolgt analog hierzu mit Leitungsdekodierung 31 und Kanalausblen­ dung 32. Der Multiplexer 40 faßt die Telegramme beider Kanäle zusammen und stellt sie der übergeordneten Instanz zur Verfügung.

Die Kanalüberwachungen 20 und 30 überwachen beide Kanäle A, B und stellen der Fehlerlogik 10 den Zustand der Kanäle A, B zur Verfügung. Durch boolsche Verknüpfungsoperationen werden die Steuersignale erzeugt, die die Schalter 03, 04, 08, 13, 14 und 18 steuern. Das Umleiten der Datenströme beim Ausfall von Übertragungskanälen erfolgt über diesen Mechanismus.

Sind beide Kanäle A, B funktionsfähig, so sind die Schalter 03 und 13 geschlossen. Die geschlossenen Schalter 08 und 18 leiten die Datenströme auf die Kanäle A, B weiter.

Fällt der Kanal A aus, so wird der Schalter 14 geschlossen und der Schalter 03 geöffnet. Hierdurch sendet die Haupt­ station sämtliche Telegramme auf Kanal B. Es ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Konfiguration. Der Schalter 08 trennt den Kanal A auf. Durch das Fehlen der Leitungskodie­ rungen erkennen die Unterstationen A1 bis A5, daß ihr Vor­ zugskanal defekt ist und senden sämtliche Telegramme auf ihren Reservekanal (Kanal B). Der Ausfall von Datenkanal B wird entsprechend behandelt.

Fällt eine Unterstation komplett aus (Fig. 6) oder werden beide Übertragungsmedien an einer Stelle zerstört (Fig. 5), so ist zunächst eine Umkonfiguration der dem Ausfall benachbarten Unterstationen erforderlich. Die Hauptstation überprüft über die Kanäle A, B nacheinander die mit ihr verbundenen Unterstationen, und zwar jeweils beginnend von der nächstgelegenen Unterstation A1, B1 bis zu der Station, von der sie keine Rückmeldung über den jeweiligen komple­ mentären Kanal erhält. In Fig. 5 ist dies die Unterstation B5 für den Kanal A und die Unterstation A5 für den Kanal B. Dann weist die Hauptstation die Unterstationen, von denen sie zuletzt die Rückmeldung über den komplementären Kanal erhalten hat an, umzukonfigurieren. In dem in Fig. 5 dar­ gestellten Beispiel müssen die Stationen A5 und B5 umkonfi­ guriert werden. Bei der Unterstation A5 wird der Schalter S01 geöffnet und der Schalter S04 geschlossen. In der Unterstation B5 wird der Schalter S02 geöffnet und der Schalter S03 geschlossen. Fällt eine Unterstation (A4 in Fig. 6) komplett aus, erkennt dies die Hauptstation an den beiden unterbrochenen Kanälen A, B. Sie überprüft wiederum jeweils beginnend von den nächstgelegenen Unterstationen A1, B1 bis zu der Station, von der sie keine Rückmeldung über den jeweiligen komplementären Kanal erhält. In Fig. 6 ist dies Unterstation A4 für Kanal A und B. Dann weist die Hauptstation wiederum die Unterstationen, von denen sie zuletzt die Rückmeldung über den komplementären Kanal erhalten hat, an, umzukonfigurieren: Bei der Unterstation A3 wird der Schalter S01 geöffnet und der Schalter S04 geschlossen. In der Unterstation A5 wird der Schalter S02 geöffnet und der Schalter S03 geschlossen. Gleichzeitig wird Unterstation A5 Kanal B als Vorzugskanal zugewiesen. In der Hauptstation werden durch Erkennen dieser Fehler die Schalter 03, 04, 13 und 14 geschlossen. Die geschlossenen Schalter 08 und 18 leiten die Datenströme auf die Kanäle A, B weiter.

Durch diese Schalterstellung wird jedes Telegramm auf jeden Kanal gesendet. Es erhält jedoch durch die spezifische Kanaladresse eine andere Zieladresse. Da die von der Haupt­ station empfangenen Telegramme bei dieser Konfiguration vom jeweils komplementären Kanal empfangen werden, muß die Ka­ nalausblendung zwangsläufig unabhängig von der Kanaladresse arbeiten.

Dieses Verfahren zur Ausnutzung der Redundanz auf Doppel­ ringen funktioniert unabhängig von der Art der Leitungsko­ dierung und vom Übertragungsmedium. Voraussetzung ist, daß ein zentralisiertes Kanalzugriffsverfahren benutzt wird. Die Aufteilung der Telegramme auf die Datenkanäle ist für die der Hauptstation übergeordnete Instanz nicht sichtbar. Das Protokoll auf dem Datenkanal muß jedoch so ausgelegt werden, daß jede Unterstation zwei Stationsadressen besit­ zen kann. Die vom Protokoll vorgegebene maximale Anzahl an adressierbaren Unterstationen halbiert sich durch dieses Verfahren. Die übergeordnete Instanz braucht nur mit den Basisadressen zu arbeiten, die spezifischen Stationsadres­ sen auf den einzelnen Übertragungskanälen bleiben verborgen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Übertragen von Daten zwischen einer Hauptstation und mehreren Unterstationen, bei dem die Hauptstation (HS) ein zentralisiertes Zugriffsver­ fahren verwendet und über einen doppelten Ring, beste­ hend aus in Gegenrichtung betriebenen Kanälen (A, B) mit den Unterstationen (A1-A5, B1-B5) verbunden ist, wobei im fehlerfreien Betrieb ein Teil der Unterstationen (A1-A5) über einen Kanal (A) empfangen und senden und der andere Teil der Unterstationen (B1-B5) über den anderen Kanal (B) empfangen und senden und beim Ausfall eines Kanals (A, B) alle Daten über den intakten Kanal (B, A) gesendet und empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausfall einer Unterstation (A1-A5, B1-B5) oder bei Unterbrechung beider Kanäle (A, B) alle Informationen von der Hauptstation (HS) über jeweils beide Kanäle (A, B) gesendet werden, wobei die Daten für die einzelnen Unterstationen (A1-A5, B1-B5) mit den jeweiligen Stationsadressen für die jeweiligen Kanäle (A, B) gesendet werden, daß die Unterstationen (A1-A5, B1-B5) jeweils zwei Sender (SA, SB) und zwei Empfänger (EA, EB) aufweisen, die im fehlerfreien Betrieb jeweils mit einem Kanal (A, B) verbunden sind und die bei der Unterbrechung beider Kanäle (A, B) oder beim Ausfall einer Unterstation (A1-A5, B1-B5) in den dem Fehlerort benachbarten Unterstationen über Schalter (S03, S04) den Sender (SA) des einen Kanals (A) mit dem Empfänger (EB) des anderen Kanals (B) verbinden oder den Sender (SB) des anderen Kanals (B) mit dem Empfänger (EA) des einen Kanals (A) verbinden und so die Daten von dem einen Kanal (A) auf den anderen Kanal (B) umleiten oder umgekehrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstation (H) eine Kanalzuordnung (Fig. 7) aufweist, die je nach Zustand der Kanäle (A, B) die Daten zu den Kanälen (A, B) leitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Unterstationen (An, Bn) auf die Kanäle (A, B) nach einer speziellen Verteilungs­ funktion durchgeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Unterstationen (An, Bn) auf die Kanäle (A, B) fest vorgegeben ist.