СИСТЕМА И СПОСОБ СВЯЗИ КОММУНАЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
PUBLIC UTILITY COMMUNICATION METHOD AND SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области связи коммунального предприятия, в частности к региональной связи поверх сетей связи с ячеистой топологией и высокой доступностью.
Уровень техники
Коммунальные предприятия поставляют воду, газ и электроэнергию на непрерывной основе через подходящие системы передачи и распределения. Последние включают в себя подразделения, такие как источники и подстанции, которые должны быть скоординированы одним или другим способом на расстояниях в сотни километров. В системах связи коммунального предприятия они обмениваются разнообразными сообщениями через междугородние соединения связи между отдаленными подразделениями коммунального предприятия для надежной передачи и распределения воды, газа или электроэнергии.
Для безопасной передачи сообщений на большие расстояния от одного подразделения до другого подразделения, коммунальное предприятие может использовать Глобальную Сеть связи (WAN). В настоящем контексте, WAN может быть выделенным соединением связи точка-точка между двумя подразделениями на основе, например, оптического волокна или контрольных проводов, ориентированной на соединение сети связи с гарантированной скоростью передачи данных, такой как Ethernet поверх SDH/HDLC, или пакетно-ориентированной сети с комплексированием нескольких подразделений коммунального предприятия и содержащее множество специальных элементов сети, таких как коммутаторы, повторители и, возможно, носитель оптической передачи на физическом уровне.
Коммунальные предприятия, поставляющие электроэнергию, часто полагаются на сети SDH (Синхронная Цифровая Иерархия) или SONET, ориентированные на соединение или с коммутацией каналов, для передачи критически важных рабочих данных, таких как телезащитная сигнализация или управление SCADA и данные диспетчерского управления. Особенностью данной технологии является проверенное качество обслуживания и отказоустойчивость маршрута за менее чем 50 мс в случае сбоя в оптическом соединении. Кроме того, можно предопределить маршрут данных, которому будет следовать конкретная служба связи внутри сети, что далее будет называться "инжиниринг трафика".
Фиг.1 отображает примерную сеть связи с ячеистой топологией или структурой, которую часто можно найти в сетях коммунального предприятия, где узлы с 1 по 5 и соединения с а по g формируют множество петель. Каждый узел соединен с, по меньшей мере, двумя соседними узлами ячеистой сети, а также с клиентскими или оконечными устройствами (не показаны), выполняющих приложения коммунального предприятия, которые связаны через сеть. В то время как в данной топологии нормальным маршрутом трафика между узлами 1 и 3 является соединение а-b, системы SDH и SONET способны переключить этот трафик, например, на соединения c-g-f за 50 мс в случае сбоя оптоволоконного соединения в соединении а. Важной предпосылкой для возможности данного переключения является инжиниринг трафика, который позволяет пользователю предопределить рабочий маршрут службы связи, т.е. соединение а-b, и в равной степени предопределить защитный маршрут для этих служб, соединения c-g-f, и для конфигурирования узлов для управления трафиком соответствующим образом.
В качестве альтернативы вышеприведенной, ориентированной на соединение сети, Региональная Сеть связи (WAN) может быть пакетно-ориентированной сетью, такой как Ethernet (Уровень 2 стека связи OSI) или сетью IP (Уровень 3) с некоторым количеством комплексированных коммутаторов или маршрутизаторов в качестве узлов. В контексте настоящего изобретения, разницу между Локальной Сетью (LAN) и WAN рассматривают как принадлежащую расширенной географии, а не в топологии сети, где межузловое расстояние в WAN превышает 10 км в отличие от LAN, ограниченной отдельным зданием или подстанциями коммунального предприятия.
В технологии обычных систем связи, в рамках любой Локальной Сети (LAN), построенной на соединении вместе множества компьютеров или других интеллектуальных устройств, концепция, называемая "виртуальная LAN" (VLAN), использует функциональность по группировке терминалов или узлов, которые соединены с коммутаторами сети. Ethernet VLAN, в соответствии с IEEE 802.1Q, позволяет ограничивать доступ к терминалам, соединенным с сетью Ethernet внутри VLAN, так же как и ограничивать поток данных групповой передачи сообщений Ethernet на предопределенные участки сети Ethernet, с которыми соединены принимающие терминалы, принадлежащие одной и той же VLAN.
В современных коммутируемых сетях Ethernet определения VLAN управляются в коммутаторах Ethernet, поэтому последние должны быть сконфигурированы или другим образом осведомлены о релевантной VLAN. Кроме того, предполагают, что одиночный подсоединенный терминал принадлежит одной определенной VLAN. Данный терминал затем может связываться с другими терминалами, принадлежащими той же VLAN. При конфигурировании коммутаторов порт для одиночно подсоединенного терминала называется портом доступа, и этому порту доступа позволено принадлежать только одной VLAN, в то время как внутренние порты системы связи, называемые магистральные порты, могут принадлежать нескольким VLAN.
Недавно представленный стандарт, называемый Протокол Параллельного Резервирования (PRP, IEC 62439-3 статья 3), обеспечивает плавное резервирование и переключение для систем связи на основе Ethernet с двумя резервируемыми, т.е. полностью дублированными сетями Ethernet. Трафик Ethernet, входящий в узел с возможностью PRP, дублируется этим узлом и отправляется на узел назначения через две резервируемые сети. Узел назначения отменяет резервирование приемом первого из дублированных пакетов и игнорирует резервный пакет, который при нормальной работе поступит позже. При дублировании трафика и его отправки через две отдельные сети, в случае ошибки в любом сетевом соединении в системе не прервет и не вызовет задержки в трафике между отправителем и принимающим узлом.
В то время как PRP является жизнеспособным решением для LAN, сооружение полностью резервируемой региональной сети связи коммунального предприятия с соответствующим образом дублированными сетевыми элементами является ни практичным, ни экономичным решением. В частности, там, где коммунальное предприятие владеет и управляет сетью связи с недублированными соединениями, последующее дублирование, например, соединениями оптическим волокном не является привлекательным.
Сущность изобретения
Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение плавного резервирования в региональных сетях связи без полного дублирования инфраструктуры сети. Данную цель достигают способом конфигурирования сети связи и посредством инструмента конфигурирования в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, где зависимость пунктов не должна быть истолкована как исключающая дополнительные значимые комбинации пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению Протокол Параллельного Резервирования PRP (IEC 62439) используют для дублирования трафика и резервной транспортировки дублированного трафика в региональной сети связи с коммутацией пакетов, включающей в себя множество узлов, взаимосвязанных через межузловые соединения в ячеистой топологии. Это включает в себя этап идентификации, между отправляющим и получающим узлом, двух отдельных и полностью зарезервированных маршрутов связи без общей связи или узла, за исключением отправляющего и принимающего узла, а также этап конфигурирования отправляющих и принимающих узлов для работы в соответствии с Протоколом Параллельного Резервирования PRP, с двумя отдельными портами связи и отправляющего, и принимающего узла, назначенных двум маршрутам связи. В любое время во время обычной работы и для любого важного сообщения, которое должно быть передано от отправляющего на принимающий узел, генерируют два резервных пакета и каждый резервный пакет отправляют через один из двух маршрутов связи.
В преимущественном варианте осуществления изобретения алгоритм Протокола Множественного Связующего Дерева (MSTP) выполняют для некоторого количества корневых мостов, выбираемых среди узлов сети связи и соответствующим образом распределенных по сети. Для каждого корневого моста сохраняют экземпляр связующего дерева. Идентифицируют два экземпляра связующего дерева, которые содержат два отдельных маршрута связи между отправляющим и принимающим узлом, и в сети связи первую и вторую VLAN конфигурируют на основе двух связующих деревьев. Отправляющие и принимающие узлы сконфигурированы как PRP узлы с каждым из двух резервных портов связи, назначенных одной из первой и второй VLAN, и дублированный трафик помечен двумя разными метками VLAN.
По сравнению со стандартным PRP, результатом изобретения является высокая доступность региональной сети связи без несения затрат на полное дублирование сети. Если смотреть с другого ракурса и по сравнению с обычным SDH, гладкое переключение в соответствии с PRP сокращает время отказоустойчивости маршрута в случае сбоя оптического соединения до менее 1 мс.
Краткое описание чертежей
Объект изобретения будет разъяснен более подробно в последующем тексте со ссылками на предпочтительные примерные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, в которых:
Фиг.1 отображает сеть связи с ячеистой топологией,
Фиг.2 отображает сеть с двумя резервными маршрутами A, B между узлами 1 и 3, и
Фиг.3 отображает сеть с двумя экземплярами MSTP, определяя две примерных VLAN.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.2 отображает сеть Ethernet с коммутацией пакетов с той же ячеистой топологией, что и на фиг.1, и трафик Ethernet передают от отправляющего узла 1 с возможностью PRP на принимающий узел 3. Между узлом 1 и узлом 3 первый маршрут (пунктирная линия) через узел 2 помечен A, в то время как второй маршрут (точечная линия) через узлы 4 и 5 помечен B. Два маршрута являются несовпадающими, т.е. общими они имеют только отправляющие/источник и принимающие/назначения узлы, но не промежуточные узлы или межузловые соединения. Каждый пакет дублируется в отправляющем узле, где первый пакет передают по маршруту A и второй, резервный пакет, передают по маршруту В.
Соответствующую информацию о маршруте либо добавляют в пакет, либо распределяют по промежуточным узлам, в последнем случае только метки A, В направления необходимо добавить в пакеты. В частности, информация о двух отдельных направлениях маршрутов A и В может быть закодирована как две отдельных Виртуальных Локальных Сети VLAN А и В. В этом случае, порты связи узлов ячеистой сети конфигурируют так, что между узлами 1 и 3, первое сообщение помечают идентификатором VLAN А и направляют через соединения а-b по маршруту А, тогда как второй пакет помечают идентификатором VLAN B и направляют через соединения c-g-f по маршруту В.
В больших сетях идентификация резервных маршрутов между любыми двумя узлами и соответствующих назначенных портов промежуточных узлов в другие VLAN является задачей, затратной по времени и подверженной ошибкам. Идентификация резервных маршрутов, однако, может быть поддержана с использованием Протокола Множественного Связующего Дерева MSTP. В соответствии со стандартом IEEE 902.Q, MSTP позволяет выбрать до 64 корневых мостов или начальных узлов в сети, для каждого из которых генерируют экземпляр быстрого связующего дерева. Каждое связующее дерево соединяет корневой мост с любым узлом ячеистой сети способом, позволяющим избежать петель, где приоритеты для узлов и соединений могут быть определены для разрешения неопределенности. Каждый из этих экземпляров связующего дерева затем может быть назначен одной или нескольким VLAN. Определение формально отдельной VLAN на основе экземпляра связующего дерева позволяет расширить VLAN за пределы отправляющего и принимающего узла сети до отдельных клиентских или оконечных устройств, соединенных с узлами.
Фиг.3 иллюстрирует примерный способ для получения информации о VLAN. В левой схеме узел 2 выбран как корневой мост для одного из экземпляров MSTP. Связующее дерево, связанное этим корневым мостом, следует наикратчайшему маршруту между корневым мостом и каждым узлом и включает в себя соединения a, b, d и е, но блокирует соединения с, f и g для предотвращения петель. Если VLAN А назначена экземпляру MSTP, связанного посредством корневого моста в узле 2, трафик Ethernet, дублированный и помеченный для VLAN А используя алгоритм PRP в соответствии с фиг.2, следует по желательным соединениям а-b между узлами 1 и 3.
В правой схеме на фиг.3, определяя узел 4 как корневой мост для второго экземпляра связующего дерева и присваивая VLAN В экземпляру MSTP, связанного этим корневым мостом, поток данных Ethernet, помеченный как VLAN В, будет следовать по желательным соединениям c-g-f между узлами 1 и 3 в ячеистой сети. В данном примере в дополнение к определению корневого моста в узле 4, приоритет моста узла 5 устанавливают больше, чем приоритет моста узла 2 для гарантии того, что соединение b, а не соединение f заблокировано алгоритмом связующего дерева. В результирующей структуре VLAN некоторые порты узлов 2 и 4 присвоены обеим VLAN A и В.
Конфигурация корневых мостов MSTP и присвоение VLAN этим корневым мостам может быть выполнено как часть начальной конфигурации/ввода в эксплуатацию сети. Для данной цели предполагается распределение 64 корневых мостов равноудаленным образом по всей сети, и равномерное присваивание всех 4096 VLAN корневым мостам, например 64 VLAN для каждого из 64 корневых мостов. Как только сеть начинает работу, 64 экземпляра быстрых связующих деревьев связывают и определяют разные маршруты через сеть.
По меньшей мере, для каждой пары узла-источника и узла-назначения, содержащихся в службах или функциональных средствах коммунального предприятия, подходящие инструменты позволяют отслеживать и анализировать VLAN, и идентифицировать резервные маршруты между двумя интересующими узлами. Предлагаемая проверка для резервных маршрутов может быть тщательно разработана только отчасти и не гарантирует успеха. Например, между узлами 2 и 4 VLAN A и В недостаточно, так как они обе содержат соединение d. Поможет определение узла 5 как другого корневого моста.
В результате, трафику Ethernet, дублированному в соответствии с модифицированным алгоритмом PRP, необходимо только быть помеченным подходящими VLAN ID для гарантирования резервных маршрутов до желательного принимающего узла. Данный процесс позволяет конфигурирование новых служб резервных данных в развернутой и работающей сети без необходимости переконфигурирования любого узла за исключением отправляющих и принимающих узлов, реализующих алгоритм PRP.
В качестве альтернативы MSTP и технологии сетевого моста Ethernet Уровень 2, MPLS (Многопротокольная коммутация по меткам), документированная в Запросе на комментарий (RFC) 3031 и 3032 Инженерной группы по развитию интернета (IETF) и работающая по модели уровней OSI между традиционно определенным уровнем 2 (Канальный уровень) и уровнем 3 (Сетевой уровень), может быть использована для идентификации двух резервных маршрутов между отправляющим и принимающим узлом посредством обычного инжиниринга трафика, как в сетях SDH/SONET. Ячеистую сеть связи впоследствии конфигурируют так, что резервный трафик направляют через резервные маршруты, предпочтительно присвоив отдельные идентификаторы VLAN отдельным резервным маршрутам.