本發(fā)明涉及一種在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)、特別是在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的方法和一種用于執(zhí)行該方法的系統(tǒng)，該系統(tǒng)特別是主機(jī)。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括大量自動(dòng)化設(shè)備，該自動(dòng)化設(shè)備通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)彼此連接并且用于控制或調(diào)節(jié)生產(chǎn)自動(dòng)化或過程自動(dòng)化框架內(nèi)的系統(tǒng)、機(jī)器或設(shè)備。由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的時(shí)間關(guān)鍵的框架條件，諸如profinet、profibus、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)或時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(tsn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議主要用于自動(dòng)化設(shè)備之間的通信。特別地，控制服務(wù)或控制應(yīng)用程序能夠被自動(dòng)化并且根據(jù)負(fù)載分配到工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)前可用的服務(wù)器或虛擬機(jī)上。

2、wo?2022/042905?a1涉及一種用于提供時(shí)間關(guān)鍵服務(wù)的方法，時(shí)間關(guān)鍵服務(wù)分別分配有至少一個(gè)服務(wù)器組件，該服務(wù)器組件由能加載到流控制環(huán)境中并且在那里執(zhí)行的流控制組件形成。對(duì)于服務(wù)器組件分別提供用于處理通信協(xié)議棧的功能單元，該功能單元連接到分配給流控制環(huán)境的用于處理通信協(xié)議棧的功能單元。服務(wù)分別包括目錄服務(wù)組件以用于借助流控制環(huán)境來識(shí)別提供的服務(wù)。目錄服務(wù)組件通過單獨(dú)的通信接口相互連接。借助另外的流控制組件形成的聚合器組件連接到單獨(dú)的通信接口，其提供關(guān)于在流控制環(huán)境之外的借助服務(wù)器組件提供的服務(wù)的信息。

3、ep?3?975?502?a1描述了一種借助流控制環(huán)境提供時(shí)間關(guān)鍵服務(wù)的方法，其中，為每個(gè)服務(wù)分別提供至少一個(gè)服務(wù)器組件，該服務(wù)器組件由能加載到流控制環(huán)境中并且在那里執(zhí)行的流控制組件形成。包括流控制環(huán)境的子網(wǎng)絡(luò)的至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)組件的配置單元確定分別分配給在子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效的服務(wù)器組件的尋址信息的全局有效訪問信息。根據(jù)借助配置單元指定的操作模式使用一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)連接的網(wǎng)關(guān)組件。至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)組件根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則或過濾規(guī)則，其映射訪問信息并且根據(jù)操作模式來將服務(wù)訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器組件。

4、從早期的歐洲的具有申請(qǐng)?zhí)枮?2177736.0的專利申請(qǐng)已知一種用于控制應(yīng)用程序的借助流控制組件提供控制應(yīng)用程序的方法，其執(zhí)行需要選定權(quán)限。為此，分別創(chuàng)建了所需的安全關(guān)鍵資源的規(guī)范。根據(jù)規(guī)范分別確定額外的流控制組件，流控制組件用于提供對(duì)所需安全關(guān)鍵資源的訪問。相應(yīng)地，相應(yīng)流控制組件的執(zhí)行與附加流控制組件一起開始。流控制環(huán)境為在相應(yīng)流控制組件與附加流控制組件之間的進(jìn)程間通信建立接口。借助在相應(yīng)流控制組件與附加流控制組件之間的進(jìn)程間通信來提供訪問分別所需的安全關(guān)鍵資源。

5、us2022/263770?al涉及一種在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的方法，其中，時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)從控制應(yīng)用程序或向控制應(yīng)用程序傳輸，其分別借助容器來提供。為了保留用于發(fā)送或接收包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流的資源，容器分別向分配給虛擬機(jī)管理程序的預(yù)留模塊發(fā)送預(yù)留請(qǐng)求。

6、由于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的功能設(shè)計(jì)越來越靈活能加載到自動(dòng)化設(shè)備中的控制應(yīng)用程序得到越來越多的應(yīng)用。例如，能夠借助容器虛擬化來提供這些控制應(yīng)用程序。在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通常一方面對(duì)具有定義的服務(wù)質(zhì)量屬性的確定性通信有很高的要求，并且另一方面對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用程序的低成本集成有很高的要求。

7、迄今為止的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)很少考慮借助容器虛擬化實(shí)現(xiàn)的控制應(yīng)用程序。雖然，在iec?60802中定義了“工業(yè)配置文件”，其具有用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)組件。然而，借助容器虛擬化實(shí)現(xiàn)的控制應(yīng)用程序在那很大程度地等同于虛擬機(jī)，并且因此軟件容器被作為物理終端設(shè)備處理。該情況具有借助容器虛擬化實(shí)現(xiàn)的控制應(yīng)用程序的開發(fā)人員的后果，即必須將復(fù)雜的終端設(shè)備軟件堆棧集成到其應(yīng)用程序中。由此再次導(dǎo)致高成本以及調(diào)試工作量和維護(hù)工作量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的方法，該方法基于容器虛擬化，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和可靠的具有確定的通信特征的控制應(yīng)用程序，以及指定一種合適的裝置來執(zhí)行該方法。

2、根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過具有權(quán)利要求1中指定的特征的方法和具有權(quán)利要求15中指定的特征的系統(tǒng)來解決。有利的進(jìn)一步發(fā)展在從屬權(quán)利要求中指定。

3、根據(jù)本發(fā)明的在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的方法，時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)從控制應(yīng)用程序或向控制應(yīng)用程序傳輸，其分別借助至少一個(gè)流控制組件提供，該流控制組件能夠加載到安裝在主機(jī)上的流控制環(huán)境中并且在那里能夠執(zhí)行。為流控制組件分別分配至少一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器。

4、優(yōu)選地，流控制環(huán)境內(nèi)的流控制組件彼此隔離地運(yùn)行并且共同使用主機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核。特別地，流控制組件能夠是或者包括軟件容器、webassembly字節(jié)碼或java字節(jié)碼。此外，流控制組件還能夠包括容器組，例如pod。原則上，替代的微虛擬化概念(諸如snap)也能夠用于流控制組件。例如，用于軟件容器的內(nèi)存映像能夠從由大量用戶讀取或?qū)懭氲?、能夠訪問的存儲(chǔ)系統(tǒng)和供應(yīng)系統(tǒng)被調(diào)取。

5、特別地，流控制環(huán)境能夠是容器運(yùn)行時(shí)環(huán)境或者容器引擎，通過其允許創(chuàng)建、刪除或鏈接虛擬資源。虛擬資源包括軟件容器、虛擬通信網(wǎng)絡(luò)以及與其相關(guān)的連接。例如，流控制環(huán)境能夠包括docker?engine或snap?core，該docker?engine或snap?core在服務(wù)器設(shè)施上運(yùn)行。

6、原則上，也能夠使用其他(編排的)容器運(yùn)行時(shí)環(huán)境，諸如podman或kubernetes。作為容器運(yùn)行環(huán)境的替代，用于流控制環(huán)境還能夠使用webassembly運(yùn)行環(huán)境或java虛擬機(jī)。

7、根據(jù)本發(fā)明，通過隊(duì)列控制單元為虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器動(dòng)態(tài)地分配主機(jī)的至少一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)適配器的發(fā)送/接收隊(duì)列。特別地，物理網(wǎng)絡(luò)適配器包括phy組件和mac組件。優(yōu)選地，虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器分別由流控制環(huán)境內(nèi)的隊(duì)列控制單元分配給流控制組件。

8、為了預(yù)留用于發(fā)送或接收包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流的資源，流控制組件分別發(fā)送預(yù)留訂單至分配給流控制環(huán)境的預(yù)留模塊。根據(jù)分配給流控制組件的服務(wù)質(zhì)量要求，預(yù)留模塊向轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)流的通信設(shè)備或通信網(wǎng)絡(luò)的上級(jí)控制單元發(fā)送預(yù)留請(qǐng)求或預(yù)留確認(rèn)以預(yù)留資源。

9、特別地，傳輸數(shù)據(jù)流的資源包括可用的傳輸時(shí)間窗口、帶寬、保證的最大延遲、隊(duì)列數(shù)量、隊(duì)列緩存或作為轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備的交換機(jī)或網(wǎng)橋中的地址緩存。數(shù)據(jù)流在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)，例如借助幀搶占、特別是根據(jù)ieee?802.1q，借助時(shí)間感知整形器、特別是根據(jù)ieee802.1q，借助基于信用的整形器、特別是根據(jù)ieee?802.1q，借助突發(fā)限制整形器、借助蠕動(dòng)整形器和/或基于優(yōu)先級(jí)的整形器來控制。提到的標(biāo)準(zhǔn)是為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(tsn)的實(shí)施來規(guī)范的。

10、特別地，預(yù)留請(qǐng)求或預(yù)留確認(rèn)能夠是發(fā)話者通知(talker?advertise)、發(fā)話者宣布(talker?announce)、收聽者就緒(listener?ready)或收聽者加入(listener?join)消息。此外，有利地，分別借助其相應(yīng)的實(shí)時(shí)要求的分類將服務(wù)質(zhì)量要求分配給流控制組件。例如，根據(jù)分類準(zhǔn)則對(duì)流控制組件進(jìn)行分類。

11、根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)分配給服務(wù)質(zhì)量要求的優(yōu)先級(jí)，預(yù)留模塊使隊(duì)列控制單元，將授予相應(yīng)流控制組件的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)適配器的發(fā)送/接收隊(duì)列的訪問權(quán)限。優(yōu)選地，如果具有足夠的可用性，則在相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備中預(yù)留用于傳輸數(shù)據(jù)流的資源。特別地，僅當(dāng)預(yù)留成功時(shí)，預(yù)留模塊才使隊(duì)列控制單元授予相應(yīng)流控制組件的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)適配器的發(fā)送/接收隊(duì)列的訪問權(quán)限。

12、借助本發(fā)明消除了基于容器的控制應(yīng)用程序中軟件堆棧的集成和維護(hù)、特別是對(duì)于時(shí)間敏感的網(wǎng)絡(luò)。也就是說，預(yù)留模塊和隊(duì)列控制單元在流控制環(huán)境內(nèi)為基于容器的控制應(yīng)用程序提供了易于使用的應(yīng)用程序接口?？傮w而言，這使得在時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)中能夠輕松使用具有相應(yīng)的虛擬化的控制應(yīng)用程序的主機(jī)，并且根據(jù)各個(gè)時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)的性能要求透明地支持不同的硬件配置。

13、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，根據(jù)為相應(yīng)的流控制組件選擇的預(yù)約協(xié)議，預(yù)留模塊向轉(zhuǎn)發(fā)的通信設(shè)備或者通信網(wǎng)絡(luò)的上級(jí)的控制單元發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求或者預(yù)留確認(rèn)。預(yù)留模塊能夠選擇預(yù)留協(xié)議，例如，借助通過主機(jī)所連接的轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備，特別是根據(jù)ieee802.1q提供的信息或借助由通信網(wǎng)絡(luò)的上級(jí)控制單元提供的信息。由于預(yù)約模塊為相應(yīng)的控制應(yīng)用程序接管了該功能，因此從控制應(yīng)用程序方面用于選擇合適的預(yù)約協(xié)議的具體細(xì)節(jié)不再需要考慮。

14、根據(jù)本發(fā)明的另外的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，在授予對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)適配器的發(fā)送/接收隊(duì)列的訪問權(quán)限時(shí)，隊(duì)列控制單元接通在相應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和至少一個(gè)選定的發(fā)送/接收隊(duì)列之間的主機(jī)內(nèi)部硬件或軟件接口。以這種方式，保證發(fā)送/接收隊(duì)列的快速、可靠和基于需求的分配。因此，當(dāng)授予對(duì)發(fā)送/接收隊(duì)列的訪問權(quán)限時(shí)，隊(duì)列控制單元能夠分別預(yù)留用于流控制組件的軟件或硬件接口和可用的發(fā)送/接收隊(duì)列，以用于傳輸數(shù)據(jù)流。

15、特別地，隊(duì)列控制單元配置物理網(wǎng)絡(luò)適配器，使得預(yù)留的發(fā)送/接收隊(duì)列能被提供給流控制組件的被分配的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器，虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器具有被分配給相應(yīng)的流控制組件的優(yōu)先級(jí)。因此，通過流控制組件用于發(fā)送或接收優(yōu)先數(shù)據(jù)流的主機(jī)內(nèi)部資源的一致分配被實(shí)現(xiàn)。

16、有利地，在成功配置物理網(wǎng)絡(luò)適配器之后，隊(duì)列控制單元通知預(yù)留模塊分別用于傳輸數(shù)據(jù)流的使用的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和發(fā)送/接收隊(duì)列。預(yù)留模塊將該信息發(fā)送到相應(yīng)的流控制組件以確認(rèn)預(yù)留訂單。借助其相應(yīng)的預(yù)留訂單的確認(rèn)中包括的信息，流控制組件能夠分別創(chuàng)建特別是作為套接字的數(shù)據(jù)流訪問點(diǎn)，并且有目的性地通過分別待使用的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和發(fā)送/接收隊(duì)列來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流。這使得流控制組件的數(shù)據(jù)流設(shè)置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和安全。優(yōu)選地，用于發(fā)送或者接收的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器根據(jù)需要由隊(duì)列控制單元將數(shù)據(jù)流分配給流控制組件，并且分別連接到用于實(shí)現(xiàn)分別流控制組件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的功能單元。因此，主機(jī)內(nèi)部資源能夠被特別高效地使用。

17、為了通知能夠訂閱的數(shù)據(jù)流，發(fā)送數(shù)據(jù)流的通信設(shè)備或控制應(yīng)用程序優(yōu)選地發(fā)送分別包括數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)符的第一數(shù)據(jù)報(bào)，并且在第一數(shù)據(jù)報(bào)中指定表征相應(yīng)數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量要求的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。相比之下，接收數(shù)據(jù)流的通信設(shè)備或控制應(yīng)用程序，為了預(yù)留由轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備提供的用于傳輸數(shù)據(jù)流的資源分別發(fā)送第二數(shù)據(jù)報(bào)并且在其中指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)符。接著第一數(shù)據(jù)報(bào)和第二數(shù)據(jù)報(bào)，如果有足夠的可用性，轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備根據(jù)指定的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)分別預(yù)留用于傳輸數(shù)據(jù)流的資源?？捎眯杂赏ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的上級(jí)控制單元或轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備檢查。這使得時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)能夠高度符合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。

18、為了執(zhí)行根據(jù)前述實(shí)施方式的方法，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)置并且包括安裝在主機(jī)上的流控制環(huán)境以及至少一個(gè)用于提供控制應(yīng)用程序的流控制組件。流控制組件能夠被加載到流控制環(huán)境中并在那里執(zhí)行。此外，系統(tǒng)包括隊(duì)列控制單元和分配給流控制環(huán)境的預(yù)留模塊。系統(tǒng)為此設(shè)置為，時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)從控制應(yīng)用程序或向控制應(yīng)用程序傳輸，并且至少一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器被分配給流控制組件。

19、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的隊(duì)列控制單元為此設(shè)置為，將主機(jī)的至少一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)適配器動(dòng)態(tài)地分配給發(fā)送/接收隊(duì)列的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器。此外，流控制組件為此被設(shè)置為，為了預(yù)留用于發(fā)送或接收包括時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流的資源，向預(yù)留模塊分別發(fā)送預(yù)留訂單。相比之下，預(yù)留模塊為此設(shè)置為，借助分配給流控制組件的服務(wù)質(zhì)量要求，分別向相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)流的通信設(shè)備或通信網(wǎng)絡(luò)的上級(jí)控制單元發(fā)送預(yù)留請(qǐng)求或預(yù)留確認(rèn)以預(yù)留資源。此外，預(yù)留模塊為此設(shè)置為，根據(jù)分配給服務(wù)質(zhì)量要求的優(yōu)先級(jí)，使隊(duì)列控制單元授予相應(yīng)流控制組件的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)適配器的發(fā)送/接收隊(duì)列的訪問權(quán)限。

20、依照根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的有利的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)包括具有多個(gè)通信設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，流控制組件為此設(shè)置為，在流控制環(huán)境中彼此隔離地運(yùn)行，并且共同使用主機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核。優(yōu)選地，隊(duì)列控制單元為此設(shè)置為，分別在流控制環(huán)境內(nèi)將虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器分配給流控制組件。最后，通信網(wǎng)絡(luò)為此設(shè)置為，如果在相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備中有足夠的可用性，則預(yù)留用于傳輸數(shù)據(jù)流的資源?？偠灾?，這使得在主機(jī)內(nèi)部和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，通過流控制組件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流的資源能夠得到一致的分配。