DE60130285T2 - Reduntante Input/Output Management Einheit, insbesondere ein Wegewahlsystem - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine redundante Vorrichtung zur Verwaltung von Eingängen und Ausgängen, insbesondere ein Informatik-Routingsystem. Sie wird insbesondere bei der Verarbeitung der Luftverkehr-Verwaltungsinformationen angewendet. Allgemeiner wird sie bei allen Verwaltungssystemen von Eingängen und Ausgängen digitaler Daten angewendet, die eine große Betriebssicherheit ohne übermäßige Zusatzkosten erfordern.
  • Die Dichte des Flugverkehrs hat einen sehr hohen Pegel erreicht. Außerdem werden die Luftsicherheitsanforderungen immer weiter erhöht. Eine Folge dieser Situation ist es, dass die Verwaltung des Luftverkehrs eine große Anzahl von Informationen verarbeiten muss, die insbesondere für die Fluglotsen und die Flugzeugpiloten bestimmt sind. Diese Informationen beziehen sich insbesondere auf eine große Kategorie von Radardaten, auf die Wetterlage, auf Flugpläne oder auch auf Daten vom Typ ILS betreffend die Landesysteme.
  • Die Verarbeitung dieser Informationen kann nur mittels leistungsfähiger Datenverarbeitungsmittel erfolgen. Unter diesen Mitteln haben die Kopplungsmittel der verschiedenen Informations- oder Entscheidungszentren eine wesentliche Aufgabe. Diese Kopplungsmittel haben insbesondere eine Routingfunktion der Informationen, sie haben also insbesondere eine Funktion des Lenkens der Daten zu den richtigen Empfängerzentren. Aufgrund der sehr großen auf dem Spiel stehenden Datenströme haben diese Mittel eine wesentliche Aufgabe für den einwandfreien globalen Betrieb eines Verwaltungssystems des Luftverkehrs. Die verarbeiteten Daten sind insbesondere die Radardaten und andere Daten betreffend die Flugsituation der Flugzeuge, wie zum Beispiel Flugpläne oder Wetterinformationen.
  • Es gibt bekannte und insbesondere im Handel erhältliche, mit ihren Betriebssystemen ausgestattete Geräte, die es ermöglichen, diesen Routingerfordernissen zu entsprechen. Als Beispiel kann eine Produktreihe erwähnt werden, die unter der Handelsmarke LINES bekannt ist, die von dem englischen Ausdruck "Link Interface Node for External Systems" stammt. Diese Produkte vom modularen Typ sind konzipiert, um das Routen und die Verarbeitung von Eingangs-/Ausgangsmitteilungen zwischen eingehenden oder ausgehenden Serienleitungen und dem Ethernet zu erlauben. Die Standard-Serienleitungen wie zum Beispiel X25, HDLC oder BSC werden ebenso wie dedizierte Leitungen verarbeitet, wie zum Beispiel Protokolle von Übertragungen besonderer Radarinformationen.
  • Diese Router können mit einer Softwarearchitektur vom Typ Vorrechner arbeiten. Sie sind mit einer Software vom Typ FPBSS ausgestattet, wobei dieser letztere Begriff vom englischen Ausdruck "Front Processor Basic System Software" stammt. In dieser Ausführungsform ist der Router mit einem einzigen Anwendungsprogramm verbunden. Er hat nur eine vordere Funktion, zum Beispiel das Lenken der Daten zum richtigen Empfänger. Der ganze Kern der Anwendungssoftware befindet sich in einem oder mehreren Zentralrechnern. In anderen Worten braucht es ebenso viele Router wie Anwendungssoftwareprogramme.
  • Eine leistungsfähigere Verwendung dieser Router kann gemäß einem offenen Kommunikationsmodus durchgeführt werden, auch OCP genannt nach dem englischen Ausdruck "Open Communication Processor". In diesem Modus ist ein Router mit mehreren Anwendungen verbunden und arbeitet im Wesentlichen wie ein Datenserver. Er ermöglicht es insbesondere, die Daten von einem beliebigen Eingangspunkt zu einem beliebigen Ausgangspunkt zu lenken und zu verarbeiten. Dieser Betriebsmodus ist besonders gut geeignet für die Verwaltung des Luftverkehrs. In einer Anwendung der Verwaltung des Luftverkehrs ermöglicht dieser Modus nämlich insbesondere die folgenden Funktionalitäten, das heißt:
    • – eine Verteilung vom Typ Black Box der Radardaten zu den Zentren, wobei die Radardaten von Serienschnittstellen empfangen und über ein lokales Netz, zum Beispiel das Ethernet, zu einer Gruppe von identifizierten Maschinen übertragen werden, eine Verbreitung, die in der englischen Literatur auch UDP multicast genannt wird;
    • – eine autonome Konvertierung von Mitteilungen oder Protokollen, die insbesondere die Formatkonvertierung von Mitteilungen oder spezifischen Protokollen erlaubt, so zum Beispiel ISR2 in ASTERIX, X25 in HDLC-UI, ...;
    • – eine Leitungsüberwachungsfunktion in den Radarsystemen, d.h. die Übertragung von Radardaten durch Serienleitungen zu den Verarbeitungsschaltungen.
  • In einer Anwendung vom Typ Luftverkehrsverwaltung hat die Betriebssicherheit der Informatiksysteme, und somit der Routingsysteme, allergrößte Bedeutung, da nämlich die Sicherheit der Passagiere auf dem Spiel steht. Zum Beispiel verlangen die geltenden Sicherheitsnormen, dass die Luftraumabdeckung eines Luftverkehrskontrollzentrums nicht mehr als einige Sekunden pro Jahr unterbrochen werden darf. Es ist also notwendig, auf Redundanztechniken zurückzugreifen, d.h. insbesondere die Einrichtungen zu duplizieren, damit eine von ihnen die andere im Fall eines Ausfalls ersetzen kann. Allgemein ist jeder Router dupliziert. Ein zu lösendes Problem ist der Übergang von einem Router zum anderen, wenn der erste defekt ist. Eine bekannte Lösung besteht darin, einen aktiven Router, Master genannt, und einen inaktiven Router, Slave genannt, vorzusehen, mit einem Drittsystem, das den Übergang der Ausführung vom Master zum Slave arbitriert. Diese Lösung ist nicht wirtschaftlich, insbesondere aufgrund der Verwendung eines Drittsystems, das zum redundanten Router hinzugefügt wird.
  • Um das System wirtschaftlich zu gestalten, ist es möglich, den Arbiter wegzulassen. Man sieht dann ein Austauschprotokoll zwischen dem Master und dem Slave vor. Insbesondere, wenn der Master defekt ist, empfängt der Slave keine Mitteilungen mehr. Der Slave übernimmt dann. Es gibt aber Notmodi, insbesondere, wo der Master die verarbeiteten Daten beschädigt, ohne es zu wissen. Da der Master nicht weiß, dass er defekt ist, deaktiviert er nicht seine Eingänge/Ausgänge. Der Slave seinerseits weiß, dass der Master defekt ist, ist dann aber nicht in der Lage, die Kontrolle des Routens korrekt zu übernehmen, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass der Master seine Eingangs-/Ausgangsports nicht deaktiviert hat. Das System arbeitet weiter im Notbetrieb. Daraus folgt eine beunruhigende Verschlechterung der Betriebssicherheit.
  • Die Druckschrift EP-A-0 416 943 beschreibt eine Verwaltungsvorrichtung von Eingängen und Ausgängen digitaler Daten. Die Druckschrift US-A-5 675 723 beschreibt eine Multiserver-Vorrichtung.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, die mit der Betriebssicherheit verbundenen Kosten zu reduzieren, indem die Verwendung eines Drittarbitersystems unterdrückt wird, und dies ohne Verschlechterung der Betriebssicherheit, unabhängig von den Typen der Eingangs/Ausgangsports. Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwaltung von Eingängen und Ausgängen digitaler Daten zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass sie erste Verwaltungsmittel und zweite Verwaltungsmittel, die miteinander über zwei Schnittstellen verbunden sind, ein Netz und eine Sicherheitsleitung aufweist, wobei diese Mittel gegenseitig Abfragemitteilungen über diese zwei Schnittstellen austauschen, wobei Mittel von den anderen Mitteln als defekt betrachtet werden, wenn sie in einem gegebenen Zeitintervall keine Mitteilung über mindestens eine der zwei Schnittstellen senden.
  • Die Mittel zur Verwaltung von Eingängen und Ausgängen können Router oder Datenserver sein.
  • Beim Start haben die ersten Mittel zum Beispiel die Aufgabe eines Masters und die zweiten Mittel die Aufgabe eines Slaves, wobei der Master die Eingangs- und Ausgangsdaten verwaltet. Um eine Redundanz zu gewährleisten, haben die Mittel die gleichen Funktionen und weisen die gleichen Softwareprogramme und gleichen Konfigurationsdateien auf.
  • Wenn Mittel von den anderen Mitteln als defekt erfasst werden, deaktivieren letztere zum Beispiel die defekten Mittel. Der Slave kann dann anstelle des Masters die Verwaltung der Daten übernehmen.
  • Vorteilhafterweise sind die Abfragemitteilungen, die Sendefrequenz dieser Mitteilungen, die maximale Zeit zwischen zwei Mitteilungen, in einer Konfigurationsdatei installiert, die in jedem der Mittel enthalten ist, wobei mehrere Typen von diesen Parametern in Abhängigkeit von gegebenen Anwendungen gespeichert sind. So können die einer Anwendung eigenen Parameter bei der Initialisierung der Vorrichtung in einen Arbeitsspeicher entladen werden.
  • Die Erfindung hat insbesondere als Hauptvorteile, dass sie sich an viele Anwendungen anpasst und dass sie einfach anzuwenden ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen mit Hilfe der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
  • 1 ein Beispiel eines redundanten Routingsystems für den Fall, in dem die Eingangs- und Ausgangsports vom seriellen Typ sind;
  • 2 ein Beispiel eines redundanten Routings, das ein Kommunikations-Netzwerk vom Typ Ethernet mit Kunden-Terminals aufweist.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines redundanten Routingsystems für den Fall, in dem die Eingangs-/Ausgangsports vom seriellen Typ sind. Das System weist einen Router 1, der die Master-Funktion hat, und einen Router 2 auf, der die Slave-Funktion hat. Diese zwei Router haben die gleichen Funktionen und weisen insbesondere die gleichen Softwareprogramme und gleichen Konfigurationsdateien auf. Der gleiche Port 3 jedes Routers kommuniziert über eine Serienverbindung mit dem gleichen System 4, zum Beispiel ein Modem. Zu diesem Zweck erfolgt die Verbindung zwischen diesem letzteren und den zwei Routern über ein Y-Kabel 5. Ein Sicherheitsbus 6 verbindet die zwei Router 1, 2.
  • Wenn die zwei Router 1, 2 zusammen starten, aktiviert der Master 1 seine elektrischen Modi an seinen Eingangs-/Ausgangsports 3, während der Slave 2 seine Ports 3 inaktiv lässt, d.h. im Zustand hoher Impedanz. Das bedeutet, dass selbst wenn die zwei Router konfiguriert sind, nur der Master 1 mit dem Modem 4 austauscht. Bei einem Defekt des Masters können insbesondere zwei Fälle auftreten:
    • – der Master setzt sich auf Null oder "reset", indem er seine Ports 3 in den Zustand hoher Impedanz versetzt, und wird selbst zum Slave, gleichzeitig wird der Slave 2 zum Master und seine Ports werden elektrisch aktiviert, das ist die normale und einfach zu verwaltende Situation;
    • – der Master wird defekt, "resets" aber nicht, der Slawe weiß, dass er Master werden sollte, aber der aktuelle Master deaktiviert seine Ports nicht, es gibt also keine Umschaltung von einem Router zum anderen aufgrund eines möglichen Konflikts zwischen den Ports 3 der zwei Router, das ist die komplexere zu verwaltende Situation.
  • Die zweite Situation muss aber geregelt werden, da sie die Betriebssicherheit gefährlich beeinträchtigt. In diesem Betriebsmodus kann der Master nämlich falsche Daten verarbeiten oder routen. Um dieses Problem zu behandeln, wird insbesondere der Sicherheitsbus 6 vorgesehen, der zwischen den zwei Routern verbunden und dazu bestimmt ist, ihm einen "Reset"-Befehl zu schicken, d.h. einen Befehl der Deaktivierung seiner Ports 3, wobei dieser Befehl vom Slawe geschickt wird. Letzterer kann dann übernehmen.
  • Der Typ der Redundanzarchitektur, der in 1 dargestellt ist, ist gut geeignet, wenn die betreffenden Eingangs-/Ausgangsports Serien-Ports sind. Dies gilt nicht mehr, wenn der Router über ein lokales Netzwerk austauscht, in der englischen Literatur LAN genannt, gemäß dem Ausdruck "Local Area Network", zum Beispiel Ethernet.
  • 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es handelt sich um ein Informatik-Routingsystem, das zwei Router 1, 2 aufweist, von denen der eine Master und der andere Slawe ist. Diese zwei Router arbeiten im offenen Modus OCP. Da die Vorrichtung redundiert ist, weisen die zwei Router dann die gleichen Funktionen, und insbesondere die gleichen Softwareprogramme und die gleichen Konfigurationsdateien auf. Auch sind die Eingänge und Ausgänge zu anderen Systemen redundiert.
  • Die zwei Router werden zum Beispiel von einem Netzwerk 23, zum Beispiel Ethernet oder Internet, mit einem oder mehreren fernen Kundensystemen 21, 22 verbunden. Sie sind außerdem mit anderen Systemen, zum Beispiel Modems, über Serienverbindungen verbunden. Ein Y-Kabel 5 verbindet den gleichen Port 3 jedes Routers mit dem gleichen System, damit insbesondere diese zwei Ports 3 mit diesem System austauschen können. Wenn der Master aktiv ist, ist sein Serien-Port aktiviert, während derjenige des Slaves deaktiviert ist, indem er zum Beispiel im Zustand hoher Impedanz ist.
  • Die zwei Router sind miteinander über das Netzwerk 23, zum Beispiel Ethernet oder Internet, und über eine Sicherheitsleitung 24 verbunden, zum Beispiel einen Bus. Als Beispiel wird ein Ethernet-Netzwerk 23 betrachtet. Beim Start oder bei der Initialisierung der Vorrichtung ist ein Router 1 der Master und der andere 2 der Slave. Es ist der Master, der dann die Eingangs- und Ausgangsdaten verwaltet, sie also routet. Während des Betriebs tauschen die zwei Router 1, 2 gegenseitig Abfragemitteilungen aus, in der englischen Literatur auch "polling messages" genannt. Diese Abfragemitteilungen werden zum Beispiel zyklisch ausgetauscht, d.h. in regelmäßigen Zeitabständen. Sie werden vom Ethernet-Netzwerk 23, zum Beispiel durch eine Aussendung vom Typ UDP unicast, ausgetauscht. Abfragemitteilungen werden auch über die Sicherheitsverbindung 24 ausgetauscht. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist also mindestens zwei Schnittstellen für den Austausch von Abfragemitteilungen, eine Netzwerk-Schnittstelle, zum Beispiel Ethernet, und einen Kommunikationsbus 24 auf. Eine Abfragemitteilung wird vom Slave an den Master gesendet, um zu überprüfen, ob der Master in gutem Betriebszustand ist, um zu überprüfen, ob er nicht defekt ist. Zu diesem Zweck muss der Master auf diese Mitteilung antworten. Alle Typen von Abfragemitteilungen können verwendet werden. Am einfachsten ist es zum Beispiel, an den Master eine gegebene Mitteilung zu senden und zu überprüfen, dass dieser sie vollständig zurücksendet. Seinerseits sendet der Master Abfragemitteilungen an den Slave, um zu überprüfen, ob dieser auch betriebsfähig ist. Es gibt also eine Überwachung der zwei Geräte 1, 2 ohne die Hilfe einer Drittausrüstung.
  • Wenn der Slave 2 nicht mindestens eine Abfragemitteilung in einem gegebenen Zeitintervall an mindestens einer der zwei Schnittstellen, Ethernet 23 oder der Sicherheitsverbindung 24, empfängt, nimmt sein Programm an, dass der Master defekt ist. Der Slave entscheidet dann, Master zu werden. Zu diesem Zweck aktiviert er den Umschaltmechanismus. Dieser Umschaltmechanismus kann mehrere Komponenten haben. Er weist einen Algorithmus auf, der zum Beispiel sowohl im Master als auch im Slave installiert ist, der den Master zwingt, sich auf Null zu setzen, insbesondere, sich neu zu initialisieren. Dieser Algorithmus ist außerdem so programmiert, dass bei dieser Neuinitialisierung der Slave übernimmt, also in der Datenverarbeitung aktiv wird, während der Master inaktiv bleibt. Dieser Algorithmus sieht außerdem die Deaktivierung der Eingangs-/Ausgangsports des Masters und die Aktivierung der Eingangs-/Ausgangsports des Master gewordenen Slave vor. Ein Überwachungsterminal 25 ermöglicht es zum Beispiel, Pannen- oder Defekt-Berichte zu lesen, die vom Master oder Slave gesendet werden. Dieser Terminal 25 kann außerdem für andere Funktionen im allgemeinen Rahmen der Anwendung verwendet werden. Die Vorrichtung weist zum Beispiel Warneinrichtungen auf, um vor einem Defekt zu warnen, damit das defekte Gerät innerhalb den vorgegebenen Fristen ausgetauscht wird.
  • Der Algorithmus, der die Nullrückstellung des Masters und schließlich seine Deaktivierung erzwingt, ist im Master installiert, wird aber vom Slave aktiviert. Zu diesem Zweck kennt der Slave die Speicheradresse dieses Algorithmus. Genauer gesagt, ist die Speicheradresse dieses Algorithmus im Slave enthalten, zumindest zugänglich. Vorzugsweise, und in symmetrischer Weise, ist der Algorithmus auch im Slave installiert, aus Gründen der Standardisierung der Ausführung der Geräte, aber auch, damit der Master den Slave komplett deaktivieren kann, wenn dieser defekt ist. Der Master hat also außerdem Zugang zur Adresse des Nullrücksetzungsalgorithmus, der im Slave vorhanden ist. Der Nullrücksetzungsalgorithmus, seine Adresse, die Abfragemitteilungen, die Sendefrequenz dieser Mitteilungen, die maximale Zeit zwischen zwei Mitteilungen vor der Umschaltung, sowie andere Konfigurationsparameter sind insbesondere in einer Konfigurationsdatei installiert, die in jedem Router enthalten ist. Mehrere Typen dieser Parameter können in dieser Konfigurationsdatei gespeichert sein, wobei jeder Typ vom endgültigen Anwendungstyp abhängt. Bei der Initialisierung der Router werden die einer Anwendung eigenen Parameter zum Beispiel in einen Arbeitsspeicher entladen. Die Verwaltung der verschiedenen Softwareschichten, darunter der Nullrücksetzungsalgorithmus, sowie die Kommunikationen zwischen diesen Schichten werden üblicherweise von einem Betriebssystem verarbeitet, ggf. in Zuordnung zu Zwischensoftwareschichten, in der englischen Literatur "middleware" genannt, die in den Routern installiert sind.
  • Die Erfindung wurde für eine Informatik-Routing-Vorrichtung beschrieben, wobei ein Router einem redundanten Router zugeordnet ist. Die Erfindung kann natürlich an andere Mittel zur Verwaltung von Eingängen/Ausgängen angewendet werden, wie zum Beispiel Datenserver. Sie betrifft vorteilhafterweise alle Typen von Anwendungen, die eine große Betriebssicherheit mit wirtschaftlichen Anforderungen erfordern. Außerdem ist sie einfach anzuwenden, da diese Anwendung hauptsächlich eine Softwareanwendung ist.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Verwaltung von Eingängen und Ausgängen digitaler Daten, die erste Verwaltungsmittel (1) und zweite Verwaltungsmittel (2) aufweist, die miteinander über zwei Schnittstellen, ein Netzwerk (23) und eine Sicherheitsleitung (24), verbunden sind, wobei diese Mittel über diese zwei Schnittstellen (23, 24) Abfragemitteilungen austauschen, wobei Mittel (1) von den anderen Mitteln (2) als defekt betrachtet werden, wenn sie in einem gegebenen Zeitintervall an mindestens einer der zwei Schnittstellen (23, 24) keine Mitteilung aussenden, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, die für die Ausführung mindestens eines Rücksetzalgorithmus der ersten und zweiten Mittel (1, 2) geeignet sind, wobei beim Rücksetzen nach der Erfassung eines Defekts die defekten Mittel (1) deaktiviert und die anderen Mittel (2) aktiviert werden, wobei der Rücksetzalgorithmus in den ersten Mitteln (1) und zweiten Mitteln installiert ist und von den zweiten Mitteln (2) aktiviert wird, wobei die Speicheradresse des Algorithmus von diesen zweiten Mitteln aus zugänglich ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Initialisierung ihres Betriebs die ersten Mittel (1) als Master wirken und die zweiten Mittel (2) als Slave wirken, wobei der Master die Eingangs- und Ausgangsdaten verwaltet.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (1, 2) über das Netzwerk (23) mit einem oder mehreren Systemen (21, 22) verbunden sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (1, 2) über eine oder mehrere Serienverbindungen mit Systemen verbunden sind, wobei ein Y-Kabel (5) den gleichen Port (3) jedes Routers mit einem System verbindet.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (1, 2) die gleichen Funktionen haben und die gleichen Softwareprogramme und die gleichen Konfigurationsdateien aufweisen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn Mittel (1) von den anderen Mitteln (2) als defekt erfasst werden, diese letzteren die defekten Mittel deaktivieren.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die fehlerhaften Mittel (1) der Master sind, der Slave die Eingänge/Ausgänge des Masters deaktiviert und seine eigenen Eingänge/Ausgänge aktiviert.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragemitteilungen, die Sendefrequenz dieser Mitteilungen, die Frist zwischen zwei Mitteilungen in einer Konfigurationsdatei installiert sind, die in jedem der Mittel (1, 2) enthalten ist, wobei mehrere Typen dieser Parameter in Abhängigkeit von gegebenen Anwendungen gespeichert sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Initialisierung der Mittel (1, 2) die für eine Anwendung spezifischen Parameter in einen Arbeitsspeicher geladen werden.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Warneinrichtungen aufweist, um über einen Störungsfall zu benachrichtigen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk ein lokales digitales Netzwerk ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verwaltung von Eingangs-/Ausgangsdaten Informatik-Router sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Router im offenen OCP-Modus arbeiten.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verwaltung von Eingangs-/Ausgangsdaten Datenserver sind.
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