Результат интеллектуальной деятельности: ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ СЕТЕВЫХ АДРЕСОВ СЕТЕВЫМ АБОНЕНТАМ

Изобретение относится к способу предоставления сетевых адресов сетевым абонентам сегментированной сети с несколькими подсетями. Кроме того, изобретение относится к компоненту маршрутизатора для выполнения способа.

В частности, изобретение относится к способу предоставления сетевых адресов в сегментированных сетях, которые имеют различные подсети, которые соединены со сборной сетью через маршрутизацию. Сети с подобной сетевой топологией часто применяются для машинного оборудования, чтобы внутренние для машины подсети с подключенными к ним сенсорными элементами и исполнительными элементами в значительной мере экранировать от сборной сети и тем самым обеспечивать возможность как максимально надежного, так и бесперебойного режима работы машин. С помощью сборной сети машины соединены между собой и с другими приборами, как, например, системой технической поддержки разработки и/или пользовательскими интерфейсами (HMI = человеко-машинный интерфейс) для наблюдения и обслуживания машин. Также в подобных сегментированных сетях часто требуется, например, в целях диагностики иметь возможность непосредственного доступа к приборам техники автоматизации в отдельных подсетях.

Часто по производственной необходимости вся сеть выполняется как изолированная сеть. Тем самым, в частности, отсутствует устанавливаемый по умолчанию маршрутизатор на наивысшем уровне. В альтернативных случаях, в которых устанавливаемый по умолчанию маршрутизатор имеется, может потребоваться бесперебойное продолжение работы сети даже при отказе устанавливаемого по умолчанию маршрутизатора. В обоих случаях желателен стабильный внутренний адресный слой также без предварительного планирования и/или ручного конфигурирования.

Поскольку сеть в целом является не «плоской» (одноуровневой), а разделена на подсети, то также на уровне сборной сети в каждом подключенном к ней сетевом абоненте требуется знание обо всех маршрутах в подсетях. Это касается, в частности, программируемых логических контроллеров машин, систем технической поддержки разработки и/или пользовательских интерфейсов, а также других приборов, непосредственно связанных с ними в сеть.

Кроме того, желательно, описанные сетевые топологии по возможности без специальных знаний в области информационной технологии (IT) и сетей без проблем вводить в эксплуатацию и также иметь возможность затем простым способом расширять или изменять их, например, когда устанавливается дополнительная машина. Наконец, является желательным в будущем иметь возможность использовать подобный не требующий конфигурирования сетевой режим в частях более крупных сетей, например внутри производственных ячеек в качестве частей более крупных производственных установок.

Известный способ действий, чтобы реализовать разделение сети при одновременной достижимости всех сетевых абонентов, заключается в аппликативной (функциональной) маршрутизации и IP-маршрутизации (IP = Интернет-протокол).

При аппликативной маршрутизации через подсети, выполненные, возможно, по разнородным технологиям, строится общий (новый) сетевой слой с собственной сетевой адресацией. При этом такие аппликативные сети, например, предварительно планируются с помощью инструментальных средств инженерной поддержки разработки, чтобы на этой основе иметь возможность вычисления доступных маршрутов и загрузки в отдельные приложения. При этом концепция аппликативной маршрутизации является в отдельных приложениях статической. Настройки на месте при установке машин или расширении существующего парка машин не предусмотрены и требуют тогда всегда полного проекта, в котором предварительно планируются изменения и из которого затем должны загружаться измененные данные маршрутизации в сетевые абоненты. Однако такой полный проект по практическим соображениям, как правило, не предоставляется в распоряжение на месте, и персонал часто не располагает инструментальными средствами инженерной поддержки разработки и необходимыми специальными знаниями для его обслуживания.

От IP маршрутизации пользователь ждет большей гибкости и сквозной и открытой, стандартизованной коммуникации. Но на архитектуру IP-маршрутизации во многих частях оказывают влияние потребности общей IT, а также провайдеры IP-услуг (ISP=Интернет-сервис-провайдеры). В этих случаях применения вышеописанные сетевые топологии сегментированных изолированных сетей практически не применяются. В соответствии с этим отсутствуют, особенно во все еще широко распространенном IPv4 (=Интернет-протокол, версия 4), автоматические устройства для того, чтобы эти специальные сетевые топологии по возможности без конфигурирования и без сетевых специальных знаний вводить в эксплуатацию и впоследствии иметь возможность расширять.

В основе изобретения лежит задача создать усовершенствованный способ для предоставления сетевых адресов для сетевых абонентов сегментированной сети с несколькими подсетями. Кроме того, в основе изобретения лежит задача создать компонент маршрутизации для осуществления упомянутого способа.

Указанная задача в соответствии с изобретением в отношении способа решается признаками пункта 1 формулы изобретения, а в отношении компонента маршрутизатора - признаками пункта 12 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Технический результат настоящего изобретения заключается в реализации децентрализованного предоставления сетевых адресов посредством маршрутизаторов подсетей в сегментированной сети, за счет чего обеспечивается безошибочность и улучшение стабильности внутреннего адресного слоя без предварительного планирования и/или ручного конфигурирования.

В соответствующем изобретению способе предоставляются сетевые адреса для сетевых абонентов сегментированной сети с несколькими подсетями, причем подсети, соответственно, через маршрутизатор подсети подключены к соединяющей их сборной сети. При этом маршрутизаторами подсетей посредством обмена сообщениями маршрутизаторов, распределяемыми через сборную сеть, децентрализованно определяется общий адресный диапазон, и внутри адресного диапазона устанавливаются сетевые адреса для сетевых абонентов.

При этом изобретение реализует децентрализованное предоставление сетевых адресов посредством маршрутизаторов подсетей в сегментированной сети. За счет этого без конфигурирования генерируется адресный слой, причем для этого не требуется ни централизованный маршрутизатор (корневой маршрутизатор или устанавливаемый по умолчанию маршрутизатор), ни ручное конфигурирование. Тем самым, с одной стороны, экономятся затраты на централизованный маршрутизатор и проектирование сети, а с другой стороны, предотвращаются ошибки, обусловленные ручным конфигурированием. Кроме того, выгодным образом предотвращается то, что отказ централизованного маршрутизатора вызывает сбой всей сети. Кроме того, пользователям не требуется иметь специальных знаний о сетях и конфигурации адресов, так как сеть сама конфигурируется. Так как отсутствует ручное конфигурирование маршрутов, то также отсутствует необходимость в привилегированных настройках, которые пользователи по организационным причинам не могут выполнять.

Один вариант осуществления изобретения предусматривает, что маршрутизаторы подсетей между собой путем обмена сообщениями маршрутизаторов децентрализованно определяют префикс сборной сети сетевых адресов, обозначающий сборную сеть.

Под префиксом здесь в общем понимается сетевая часть сетевых адресов, которая для всех сетевых адресов сети (или подсети) одинакова. Это понятие выбрано с ориентацией на IPv6 (Интернет-протокол, версия 6), однако это не должно пониматься как ограничение только IPv6.

Децентрализованное определение префикса сборной сети для сборной сети обеспечивает предпочтительным образом не требующее конфигурирования ассоциирование подсетей со сборной сетью, вновь не требуя центрального маршрутизатора или проектирования сети. Сборная сеть может, в частности, сама быть частичной сетью большей сети и как таковая обозначаться посредством своего префикса сборной сети.

Чтобы определить префикс сборной сети, предпочтительно задается предписание выбора для выбора префикса сборной сети из множества префиксов-кандидатов. Каждым маршрутизатором подсети сначала независимо от других маршрутизаторов подсетей генерируется префикс-кандидат. Затем маршрутизаторами подсетей посредством обмена сообщениями маршрутизаторов, распределяемыми через сборную сеть, из множества префиксов-кандидатов, сгенерированных маршрутизаторами подсетей, согласно заданному предписанию выбора определяется префикс сборной сети. При этом в соответствии с предписанием выбора, например, из множества префиксов-кандидатов выбирается численно наименьший префикс-кандидат в качестве префикса сборной сети.

Этот вариант осуществления изобретения предпочтительным образом обеспечивает возможность просто реализуемого децентрализованного определения префикса сборной сети посредством маршрутизаторов подсетей.

Предпочтительным образом, для этого каждым маршрутизатором подсети сгенерированный им префикс-кандидат посредством сообщений маршрутизаторов сообщается другим маршрутизаторам подсетей, пока маршрутизатору подсети от другого маршрутизатора подсети не будет сообщен префикс-кандидат, который численно меньше, чем сгенерированный им префикс-кандидат. Кроме того, маршрутизатором подсети сгенерированный им префикс-кандидат или префикс-кандидат, заменяющий сгенерированный префикс-кандидат, заменяется префиксом-кандидатом, сообщенным маршрутизатору подсети от другого маршрутизатора подсети, если префикс-кандидат, сообщенный маршрутизатору подсети, численно меньше, чем префикс-кандидат, сгенерированный маршрутизатором подсети, или чем префикс-кандидат, заменяющий сгенерированный префикс-кандидат.

Этот вариант осуществления обуславливает то, что в итоге только тот маршрутизатор подсети, который среди всех маршрутизаторов подсетей сгенерировал наименьший префикс-кандидат, сообщает свой префикс-кандидат по сборной сети, и все другие маршрутизаторы подсетей заменяют соответственно первоначально сгенерированные ими префиксы-кандидаты на этот наименьший префикс-кандидат. За счет этого маршрутизаторы подсетей согласовывают между собой наименьший сгенерированный префикс-кандидат в качестве префикса сборной сети. Посредством соответственно управляемой отсылки сообщений маршрутизаторов, в которых сообщаются префиксы-кандидаты, это согласование маршрутизаторами подсетей префикса сборной сети достигается очень быстро. После этого согласования только один маршрутизатор подсети остается «активным» в том смысле, что он продолжает сообщать выбранный префикс-сборной сети через сборную сеть.

Кроме того, каждый маршрутизатор подсети, который распознает отмену регистрации или отказ маршрутизатора подсети, который сообщает выбранный префикс сборной сети посредством сообщений маршрутизаторов другим маршрутизаторам подсетей, сообщает выбранный префикс сборной сети посредством сообщений маршрутизаторов другим маршрутизаторам подсетей, пока ему не будет сообщен выбранный префикс сборной сети от другого маршрутизатора подсети, который имеет меньший, чем у него, локальный для канала связи сетевой адрес.

Вышеописанный вариант осуществления изобретения обеспечивает то, что роль «активного» маршрутизатора подсети, который сообщает выбранный префикс сборной сети по сборной сети, при отказе или отмене регистрации соответствующего активного маршрутизатора подсети, берет на себя другой маршрутизатор подсети, который распознает отмену регистрации или отказ. Если отмена регистрации или отказ активного маршрутизатора подсети почти одновременно распознается несколькими маршрутизаторами подсетей, то среди этих маршрутизаторов подсетей новым активным маршрутизатором подсети становится тот, который имеет наименьший локальный для канала связи сетевой адрес. Таким образом адресный слой в сети остается предпочтительно стабильным, пока по меньшей мере один маршрутизатор подсети продолжает работать. Только если все маршрутизаторы подсетей выключаются или отключаются и вновь запускаются, то префикс сборной сети должен определяться заново. Это справедливо, если никакое устойчивое запоминающее устройство не используется в маршрутизаторах подсетей.

Другой вариант осуществления предусматривает, что каждым маршрутизатором подсети определяется собственный адресный диапазон подсети, и посредством сообщения маршрутизатора другим маршрутизаторам подсетей сообщается маршрут в этот адресный диапазон подсети. При этом предпочтительным образом каждым маршрутизатором подсети из своего адресного диапазона подсети для каждой подсети, подключенной к сборной подсети, определяется префикс подсети.

Этот вариант осуществления позволяет хостам, подключенным к сборной сети, без конфигурирования осуществлять связь с абонентами подсетей в подсетях.

Другой вариант осуществления изобретения предусматривает, что Интернет-протокол применяется в качестве сетевого протокола для обмена данными в сети, и сетевые адреса формируются согласно применяемому Интернет-протоколу. При этом особенно предпочтительно в качестве Интернет-протокола применяется IPv6 (Интернет-протокол, версия 6).

Интернет-протокол пригоден предпочтительным образом как сетевой протокол для обмена данными в сегментированной сети, так как он предусматривает разделение сетевых адресов на сетевую часть (префикс) и приборную часть. IPv6 пригоден, в частности, потому, что он посредством оповещений маршрутизатора уже предусматривает средства, подходящие для выбора адресных диапазонов, в частности, префиксов.

В соответствии с этим при применении IPv6 сообщениями маршрутизаторов предпочтительно являются оповещения маршрутизаторов.

Компонент маршрутизатора для осуществления соответствующего изобретению способа выполнен таким образом, чтобы на основе принятых сообщений маршрутизаторов распознавать маршрутизаторы подсетей, подключенные к сборной сети, и посредством оценки принятых сообщений маршрутизаторов и генерации сообщений маршрутизаторов взаимодействовать в соответствующем изобретению определении префикса сборной сети.

Поэтому соответствующий изобретению маршрутизатор подсети содержит выполненный подобным образом компонент маршрутизатора. Подобный компонент маршрутизатора выполнен, например, как программируемый логический контроллер или встроен в программируемый логический контроллер.

Вышеописанные свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также способ, которым они достигаются, поясняются в связи с последующим подробным описанием примеров выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - блок-схема сегментированной сети с несколькими подсетями,

Фиг. 2 - блок-схема маршрутизатора подсети.

Соответствующие друг другу элементы обозначены на чертежах одинаковыми ссылочными позициями.

Фиг. 1 показывает блок-схему сегментированной сети 1 с несколькими подсетями 111, которые, соответственно, через маршрутизатор 112 подсети подключены к соединяющей их сборной сети 101.

Кроме того, сеть 1 может включать в себя подключенные к сборной сети 101 другие хосты 102 без функциональности маршрутизатора. К подобным другим хостам 102 могут, например, относиться система инженерной поддержки разработки или человеко-машинные интерфейсы.

Каждая подсеть 111 включает в себя несколько пользователей 113 подсети. Например, пользователями 113 подсети в подсети 111 являются, соответственно, блоки ввода/вывода машины 14. Через маршрутизатор 112 подсети 111 передаются данные из сборной сети 101 в подсеть 111 и из подсети 111 в сборную сеть 110. При этом несколько подсетей 111 могут иметь тот же самый маршрутизатор 112 подсети.

Далее описывается пример выполнения изобретения, в котором в качестве сетевого протокола для передачи данных в сети 1 используется IPv6 (Интернет-протокол, версия 6).

Фиг. 2 показывает блок-схему маршрутизатора 112 подсети. Маршрутизатор 112 подсети реализован, например, как программируемый логический контроллер. Маршрутизатор 112 подсети содержит IP-маршрутизатор для IPv6, демон 121 оповещения маршрутизатора для передачи оповещений маршрутизатора согласно IPv6 и компонент 122 маршрутизатора для описанного далее более подробно определения префикса 201 сборной сети согласно IPv6.

Демон 121 оповещения маршрутизатора и компонент 122 маршрутизатора реализованы как компоненты программного обеспечения маршрутизатора 112 подсети.

Маршрутизаторами 112 подсетей посредством обмена оповещениями маршрутизатора, распределяемыми через сборную сеть, децентрализованно определяется общий адресный диапазон для сетевых адресов в сети 1, и внутри адресного диапазона устанавливаются сетевые адреса для сетевых абонентов.

Для этого компоненты 122 маршрутизатора выполнены таким образом, что они

- распознают подключенные к общей сборной сети 101 маршрутизаторы 112 подсетей на основе их оповещений маршрутизаторов с информациями о маршрутах,

- децентрализованным образом, не требуя центрального вышестоящего маршрутизатора (то есть установленного по умолчанию маршрутизатора), на основе описанного ниже алгоритма устанавливают общий адресный диапазон, предпочтительно из ULA-диапазона (ULA=уникальные локальные адреса), и его затем также через отключение отдельных или нескольких маршрутизаторов 112 подсетей поддерживают стабильным образом,

- на этой основе определяют подходящие информации о префиксе и маршруте и отслеживают также при изменениях,

- которые затем посредством стандартного механизма оповещений маршрутизаторов согласно IPv6 распределяются на все IPv6-хосты в сборной сети 101, т.е. на маршрутизаторы 112 подсетей и другие хосты 102,

- после чего эти IPv6-хосты согласно IPv6-стандартам динамически и самостоятельно создают, отслеживают и аннулируют требуемые маршруты к достижимым подсетям 111.

Далее сначала описывается, как устанавливается и публикуется адресный слой в подсетях 111.

Пользователь активирует в течение фазы планирования или альтернативно при установке машины 114 режим работы компонента 122 маршрутизатора соответствующего маршрутизатора 112 подсети. Для случая, когда в соответствующей подсети 111 существуют еще более глубокие (нижестоящие) подсети, пользователь активирует компонент 122 маршрутизатора только на самом высоком уровне. Для этого для маршрутизатора 112 подсети установлено, какой из его IP-интерфейсов работает как так называемый восходящий интерфейс к сборной сети 101; все другие IP-интерфейсы действуют как так называемые нисходящие интерфейсы к соответствующей подсети 111, соединенной с маршрутизатором 112 подсети.

При работе каждый маршрутизатор 112 подсети определяет для себя собственный ULA-диапазон соответственно определению IPv6-стандарта RFC 4193 (RFC=запрос на комментарий). Он может, например, определяться статически из МАС-адреса (=адрес управления доступом к среде передачи) восходящего интерфейса. Этот способ действий отличается от IPv6-стандарта RFC 4193 в том отношении, что намеренно используется не случайный диапазон, а всегда тот же самый, но несмотря на это достаточно однозначный ULA-диапазон на основе МАС-адреса. Тем самым достигается то, что адресный слой остается по возможности долговременно стабильным.

Из этого собственного ULA-диапазона маршрутизатор 112 подсети извлекает подходящий префикс подсети для использования в подсетях 111, то есть на его нисходящих интерфейсах. Кроме того, ULA-диапазон служит для возможного дальнейшего подразделения, если в подсети 111 существуют еще более глубокие подсети.

Каждый маршрутизатор 112 подсети отсылает к тому же на сборную сеть 101 посредством оповещения маршрутизатора маршрут в свой собственный ULA-диапазон. Эта отсылка осуществляется в соответствии с RFC 4861. Тем самым подключенные к сборной сети IPv6-хосты получают возможность осуществлять связь с пользователями 113 подсетей в подсетях 111.

Далее будет описано, каким образом устанавливается и поддерживается общий адресный слой в сборной сети.

При запуске маршрутизатора 112 подсети последний генерирует сначала префикс из своего собственного ULA-диапазона в качестве префикса-кандидата для префикса 201 сборной сети для сборной сети 101.

Кроме того, каждый маршрутизатор 112 подсети, если он еще не относится ни к какому другому маршрутизатору 112 подсети, спустя короткое время ожидания начинает отсылку оповещений маршрутизатора, которые оповещают о его префиксе-кандидате для сборной сети 101.

К тому же каждый маршрутизатор 112 подсети оценивает оповещения маршрутизаторов от других маршрутизаторов 112 подсетей в отношении того, содержат ли они информации префиксов о сборной сети 101. Согласно идентичному для всех маршрутизаторов 112 подсетей предписанию выбора, они определяют только то, принимают ли они чужой префикс-кандидат или сохраняют свой собственный префикс-кандидат. Для этого они выбирают, соответственно, численно меньший префикс-кандидат из собственного префикса-кандидата и полученного префикса-кандидата.

Если при этом сгенерированный сначала префикс-кандидат заменяется, то соответствующий маршрутизатор 112 подсети аннулирует до сих пор оповещенный собственный префикс-кандидат контролируемым образом за счет того, что он в соответствии с RFC оповещает о нем с установленным в нуль сроком жизни. Однако вновь принятый префикс-кандидат сначала не сообщается по сборной сети 101 посредством оповещения маршрутизатора, а соответствующий маршрутизатор подсети переходит в «тихий» (неактивный) режим работы, тем что он сообщает по сборной сети 101 свой маршрут подсети, но не новый префикс-кандидат.

Тем самым спустя короткое время остается только один единственный «активный» маршрутизатор 112 подсети, который распределяет выбранный, теперь действительный префикс 201 сборной сети по сборной сети 101.

Если неактивный маршрутизатор 112 подсети распознает отмену регистрации или отказ активного маршрутизатора 112 подсети, то он переходит в активную фазу работы. При этом возможно, что несколько маршрутизаторов 112 подсети почти одновременно становятся активными. Эта ситуация распознается маршрутизатором 112 подсети на том основании, что он прослушивает тот же префикс 201 сборной сети, который он и сам отсылает. В этом случае те активные маршрутизаторы 112 подсетей переходят в неактивный режим, которые прослушивают маршрутизатор 112 подсети, сообщающий префикс 201 сборной сети, который имеет меньший локальный для канала связи IPv6-адрес, чем у них.

За счет этого механизма достигается то, что только один префикс 201 сборной сети отсылается в сборную сеть 101 и используется. К тому же этот префикс 201 сборной сети существует, пока еще работает по меньшей мере один маршрутизатор 112 подсети.

Только если все маршрутизаторы 112 подсетей выключаются и снова запускаются, то весь процесс начинается снова.

Дополнительное улучшение адресной стабильности может достигаться за счет следующего расширения вышеописанного способа действий. Дополнительно оценивается срок жизни префикса 201 сборной сети в сборной сети 101, причем этот срок жизни входит в решение маршрутизатора 112 подсети уклониться от выбора префикса 201 сборной сети. Для этого сначала сгенерированный для самого себя префикс-кандидат резервируется на очень короткий срок жизни, например, в минутном диапазоне. Неактивные маршрутизаторы 112 подсетей запоминают не только действительный префикс 201 сборной сети, но и его срок жизни. Тем самым они в состоянии, если они должны были бы становиться активными, корректно получать срок жизни маршрутизатора 112 подсети. Если маршрутизатор 112 подсети является активным, то он повышает срок жизни сгенерированного им префикса-кандидата или префикса 201 сборной сети, когда он прослушивает другой маршрутизатор 112 подсети, который обладает более высоким IPv6-адресом, чем он. Тем самым достигается то, что подтвержденный префикс 201 сборной сети за счет его более длительного срока жизни поддерживается и тогда, когда из-за смены прибора добавляется новый маршрутизатор 112 подсети с меньшим IPv6-адресом, чем до сих пор.

Компонент 122 маршрутизатора в маршрутизаторе 112 подсети управляет оповещениями маршрутизатора, отсылаемыми демоном 121 оповещения маршрутизатора в маршрутизаторе 112 подсети, и конфигурирует восходящий интерфейс маршрутизатора 112 подсети в соответствии с выбранным префиксом 201 сборной сети.

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано с помощью предпочтительных примеров выполнения, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут быть получены на этой основе специалистом без отклонения от объема настоящего изобретения.

Перечень ссылочных позиций

1 сеть

101 сборная сеть

102 хост без функциональности маршрутизатора

111 подсеть

112 маршрутизатор подсети

113 пользователь подсети

114 машина

120 IP-маршрутизатор

121 демон оповещения маршрутизатора

122 компонент маршрутизатора

201 префикс сборной сети