ES2353395T3 - Recepción de tramas redundantes y no redundantes. - Google Patents

Abstract

Un método de recepción de tramas por un dispositivo (13, 14, 15, 20) en una red de comunicaciones, en el que el dispositivo (13, 14, 15, 20) tiene un primer y un segundo controlador de red (3a, 3b) conectados respectivamente a una primera y a una segunda línea (1a, 1b) para la recepción de tramas (100a, 100b, 100s) enviadas por un dispositivo de envío (11, 12, 30, 31) a través de la red, que comprende, - la determinación de si una trama (100a, 100b, 100s) recibida a través de una de entre la primera y la segunda línea (1a, 1b) es una trama única (100s) transmitida a través de una línea (1a, 1b) solamente o si la trama es una trama redundante de un par de dos tramas redundantes (100a, 100b) transmitidas respectivamente a través de la primera línea (1a) y la segunda línea (1b) de acuerdo con un protocolo de redundancia, - si se determina que la trama es una trama redundante, la determinación de si la trama es una primera trama o una segunda trama de un par de dos tramas redundantes (100a, 100b), y - el envío de la trama (100a, 100s) para un procesamiento adicional a menos que se determine que la trama es una segunda trama (100b), la etapa de determinación de si la trama es una trama única o redundante comprende, - el cálculo, por parte del dispositivo (13, 14, 15, 20), de un identificador de redundancia basándose en la trama tal como se recibe, identificador de redundancia que comprende una longitud, una función de hash o una suma de comprobación de la trama, y - la comparación de este identificador de redundancia calculado con un identificador de redundancia incluido en un campo (203, 204) añadido a una trama redundante en el dispositivo de envío como parte del protocolo de redundancia para las tramas redundantes y ausente en la trama única (100s).

Description

���������������������������������������������������D���������� CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere al campo de las redes de comunicación en aplicaciones tales como el control de vehículos, control de conducción o automatización de subestaciones. Parte de un método de recepción de tramas por parte de un dispositivo receptor en una red de comunicación que comprende al menos dos redes elementales o enlaces físicos para la transmisión de tramas redundantes. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Para aumentar la disponibilidad de las redes de datos en aplicaciones vitales o en otra forma críticas tales como el control de vehículos, control de conducción o automatización de subestaciones, se requiere una redundancia. Básicamente, esta última se puede proporcionar mediante la duplicación de las líneas de comunicación, por ejemplo las líneas eléctricas u ópticas de transmisión, así como al menos la capa física de la pila de protocolos correspondientes. En tanto que el envío de información duplicada generalmente no representa un obstáculo importante para una implementación sencilla, la recepción y manejo de información duplicada puede requerir disposiciones especiales.

La norma de comunicación IEC 61375, con la finalidad de mejorar la disponibilidad para permitir su uso en vehículos ferroviarios, especifica dos redes elementales físicamente independientes e introduce una redundancia trama a trama, en la que un remitente envía tramas redundantes simultáneamente a través de las dos líneas y un receptor recibe principalmente los datos sobre una línea mientras observa la otra. La Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos US 2003/0147377 A1 aplica ese principio a redes de comunicación del tipo Ethernet full-duplex conmutadas redundantes. Con la finalidad de filtrar duplicados, el remitente añade un campo identificador a las tramas antes del envío de tramas idénticas a través de ambas redes elementales. Un receptor acepta una trama solamente si su identificador no se ha recibido previamente a través de la otra red, es decir se rechazan los duplicados en la capa del enlace. El identificador es un número de trama continuo o un valor del contador de la secuencia de tramas sucesivas que se reinicia desde cero tras una cuenta determinada como se describe por ejemplo por la norma IEEE 802.2. Una ventana de tiempo dado delimita el tiempo para la aceptación de una trama. Para mantener el encabezamiento de la trama de la norma de Protocolos de Internet (IP), el contador de secuencias se inserta preferiblemente entre el contenido útil y la secuencia de comprobación.

El método anteriormente mencionado funciona bien dentro de un entorno cerrado en el que todos los dispositivos se espera que inserten un contador de secuencia en las tramas. Sin embargo, en particular en el área de la automatización de subestaciones, a menudo se conectan dispositivos de terceros y/o dispositivos móviles tales como ordenadores portátiles de ingeniería solamente a una de las dos líneas redundantes y no tiene conocimiento del protocolo de redundancia particular usado por la mayoría de los dispositivos en la red. En este caso, los receptores se enfrentan tanto a tramas que llevan un contador de secuencia como a tramas que no llevan un contador de secuencia. En este caso, los receptores podrían o bien interpretar el campo que comprende el contador de secuencia y anexionarlo a las tramas antiguas como un error o bien eliminarlo como un relleno. En tanto que los protocolos TCP y UDP son capaces de manejar este caso, otros protocolos podrían rechazar la trama realmente. Para evitar esto, se requeriría un trabajo extenso y procedimientos de configuración del dispositivo que determinen para cada dispositivo si obedece o no al protocolo de redundancia antes de la comunicación de cualquier dato. Además, un problema general de las tramas Ethernet reside en el hecho de que en algunos casos no hay información fiable sobre la longitud de la trama. Por lo tanto, el truncado de una trama podría dar como resultado en algunos casos una suma de comprobación correcta, conduciendo a un error sin detectar.

El documento EP 854 610 describe un método de redundancia Ethernet sin permutación para el intercambio de datos de medición y comandos de control. El método descarta duplicados (es decir tramas redundantes) en una sección de control de bajo nivel del dispositivo receptor por medio de un identificador de datos, pero no proporciona una detección activa de tramas únicas desprovistas de dicho identificador de datos. En detalle, los datos de transmisión única dirigidos a un dispositivo receptor se almacenan en un área de recepción de una sección de memoria temporal. En la etapa posterior de comprobación, si se han recibido ya datos idénticos a través de las líneas de comunicación del sistema redundante, no se halla tal dato idéntico y los datos únicos se envían realmente a la cola de recepción respectiva así como a la aplicación de nivel superior. Después de algún tiempo, el proceso de anormalidades elimina los datos únicos de la cola de recepción, con respecto a estos no duplicados se recibirán dentro de un período de expiración predeterminado. La aparición de datos únicos se trata como un caso raro de comportamiento anormal y el método procesa inherentemente los datos únicos hacia el nivel superior de la aplicación sin considerar incluso la identificación de los datos únicos en la sección de control de bajo nivel del dispositivo de recepción. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Por lo tanto es un objetivo de la invención permitir, con limitado o nulo esfuerzo de configuración, un dispositivo de envío que se conecta a una o dos líneas de una red de comunicación redundante y enviar tramas a un dispositivo receptor conectado a ambas líneas y preparado para recibir tramas redundantes enviadas a través de ambas líneas. Este objetivo se consigue mediante un método de recepción de tramas y un programa de ordenador de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 9. Las realizaciones preferidas adicionales son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes de la patente.

De acuerdo con la invención, el dispositivo receptor realiza una discriminación o diferenciación entre tramas no redundantes o únicas transmitidas solamente a través de una línea y tramas redundantes o duplicadas trasmitidas, o que al menos se han intentado transmitir, sobre ambas líneas. Cualquier trama identificada como una trama única, de la cual no exista duplicado, se envía directamente para procesamiento adicional. Cualquier trama identificada como una trama redundante, transmitida de acuerdo con un cierto protocolo de redundancia, se comprueba posteriormente con relación a duplicados que se hayan recibido anteriormente. Si este último no es el caso, la trama redundante se identifica como una primera trama y se envía para procesamiento adicional. En caso contrario, la trama redundante se identifica como una segunda trama o posterior y se ignora, mientras que no obstante se puede derivar alguna información de esta recepción. Así, el dispositivo de recepción es capaz de comunicar a través de una red de comunicación con dispositivos de envío que implementan, así como con dispositivos de envío que no obedecen a, un protocolo de redundancia

particular.

Mientras que la discriminación anteriormente mencionada se podría realizar en cualquier capa de protocolo de la pila de protocolos implementada en el receptor, la identificación y eliminación de las segundas tramas en la capa del enlace de datos ahorra ventajosamente a las capas de protocolos posteriores la ejecución de tareas adicionales relacionadas con el rechazo de duplicados. Sin embargo, dado que en el caso de duda acerca de su redundancia o tramas de origen se envían a una capa de protocolo posterior, no se descarta ni se omite accidentalmente ninguna trama. La capa de protocolo posterior puede ser una capa de nivel más alto que inspecciona adicionalmente las tramas dudosas enviadas o puede ser una capa adicional única de enlace de un dispositivo de redundancia o de relevo que envía tramas enviadas a través de una línea adicional, única o un bus no redundante.

En el dispositivo de envío se añade un identificador de redundancia a las dos tramas redundantes como parte del protocolo de redundancia. El identificador de redundancia se calcula en base a la trama a transmitir y se compara con un identificador de redundancia calculado en el dispositivo receptor basándose en la trama recibida. Esto permite que se alcance un alto nivel de confianza con un identificador de redundancia comparativamente corto de sólo unos pocos bits, en comparación con los identificadores fijos y/o predeterminados que sirven para la misma finalidad.

Se pueden usar varios métodos tales como la suma de comprobación o la función hash para identificar tramas redundantes, pero en una realización simple, el valor del identificador de redundancia se fija igual a la longitud de la trama. Este aprovechamiento de la eficacia en cuanto a cálculo de la información específica de la trama permite adicionalmente al receptor detectar tramas truncadas con sumas de comprobación accidentalmente correctas.

En una realización preferida de la invención, una trama redundante recibida a través de una primera línea se identifica como una primera trama de un par de tramas redundantes con información idéntica por medio de un valor de trama o contador de secuencia transmitido con la trama recibida. El valor de la trama recibida se compara con un contador o ventana de descarga de una longitud máxima predefinida, de modo que no se hayan de mantener grandes tablas de valores de contadores usados. Aunque podría ser útil para la gestión de la red mantener un seguimiento de la última vez en que se recibió una trama desde un dispositivo, el presente método no hace uso de una ventana de tiempo.

Ventajosamente, la ventana de descarga anteriormente mencionada se delimita por un valor del contador de sincronismo. Tan pronto como las tramas recibidas en una de las líneas se retrasan por detrás del valor del contador de sincronismo de la otra línea, esto se interpreta como una pérdida de sincronización entre las dos líneas o una falta de disponibilidad al menos temporal de la línea primera. Por lo tanto se maneja también, una pérdida de varias tramas en secuencia que puede suceder por ejemplo si un conmutador se reconfigura a sí mismo mediante la ejecución por ejemplo de un protocolo de árbol de expansión. Aunque el algoritmo puede fallar si el retardo entre las dos líneas se hace impredecible, esto no dañará la transmisión, dado que en caso de duda no se rechaza ninguna trama y la decisión de usar la trama se deja a las capas de protocolo más altas.

En otras palabras, las realizaciones preferidas del método de redundancia de acuerdo con la invención comprenden una o más de las siguientes características ventajosas. a) Un soporte al tráfico de datos con mezcla de redundante y único, que permite el ataque de dispositivos no críticos a sólo una de las dos líneas redundantes sin que se declare a la interfaz del dispositivo redundante de la otra línea como defectuosa. b) Un uso de una secuencia larga de identificadores, que elimina la necesidad de crear un temporizador y mantener un seguimiento de los tiempos de expiración para cada identificador único. c) Un uso de identificadores contiguos, permitiendo que se actualicen dos valores de contador por cada origen y que se detecten tramas fuera de secuencia sin pasar a través de las tablas de los identificadores recibidos. d) Una extensibilidad del esquema de redundancia para cubrir otros requisitos tales como incluso los problemas de seguridad de Ethernet. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La materia objeto de la invención se explicará con más detalle en el texto a continuación con referencia a las realizaciones de ejemplo preferidas que se ilustran en los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que: La Figura 1 muestra la topología de un bus de una red de comunicación, la Figura 2 muestra una topología de conmutación de una red de

comunicación, la Figura 3 representa los componentes y los bloques funcionales de un

dispositivo, la Figura 4 ilustra una trama redundante, la Figura 5 muestra la evolución de dos ventanas de descarga, la Figura 6 representa una red virtualmente redundante que comparte

algunos elementos físicos, la Figura 7 muestra un módulo de redundancia y la Figura 8 ilustra una conmutación de redundancia en otra red virtualmente

redundante.

Los símbolos de referencia usados en los dibujos, y sus significados, se listan en forma de sumario en la lista de símbolos de referencia. En principio, las partes idénticas están dotadas con los mismos símbolos de referencia en las figuras. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERIDAS

La Figura 1 muestra la topología de bus que representa por ejemplo un bus de campo de acuerdo con IEC 61158 y la Figura 2 muestra una topología de conmutación de una red de comunicación que representa por ejemplo una red de área local (LAN) del tipo de Ethernet. En ambos casos, se conectan dos

o más dispositivos 11, 12, 13, 14 mediante dos líneas 1a y 1b que están completamente separadas entre sí para evitar una fuente común de fallo. En el contexto presente, el término línea no sólo describe un enlace físico punto a punto, sino se refiere de modo general a una o dos trayectorias redundantes que pueden ser eléctricas, ópticas o basadas en otra tecnología. Como será evidente a partir de la siguiente descripción detallada, la invención es independiente del número de elementos de conexión, centros o conmutadores y sus disposiciones respectivas, por ejemplo en una topología en bucle o en árbol, y es aplicable a cualquier tipo de red y medio de comunicación, así como a cualquier número de líneas redundantes e incluso a líneas sólo parcialmente, es decir en relación a la sección, redundantes.

Un dispositivo de envío o equipo de abonado de origen 11, 12 envía la misma información 100a, 100b a través de ambas líneas 1a, 1b y un dispositivo receptor o equipo de abonado de destino 13, 14 toma la información de cualquiera de las líneas que llegue primero, ignorando la información de la última línea pero registrando sin embargo su recepción. Si sólo está perturbada una línea, la información llegará sobre la otra línea. Este método ofrece una conmutación completamente perfecta, dado que no hay necesidad de repetir una pieza de información a través de una línea de reserva previamente inactiva en caso de perturbaciones. También ofrece una supervisión completa de ambas líneas redundantes con tráfico normal, asegurando una elevada cobertura y evitando un tráfico dedicado para la supervisión de una línea de reserva. En la Figura 2, los dispositivos 30, 31 no participan en el protocolo de redundancia y envían información única, es decir no duplicada, 100s sólo a un conmutador 20b.

La Figura 3 muestra los componentes y bloques funcionales de un dispositivo para el envío o recepción de tramas redundantes de acuerdo con una realización de la presente invención. En términos de jerarquía de capas de protocolo, este método requiere básicamente que la capa física y la capa de enlace 4 estén duplicadas. En consecuencia, el dispositivo de envío 11 comprende dos transceptores de línea 2a y 2b, y dos controladores Ethernet 3a y 3b. El procesador 10 del dispositivo de envío 11 es el responsable de proporcionar los paquetes de datos y preparar un par de tramas duplicadas 100a, 100b a partir de ellos. Las tramas a enviar se pasan a través de dos controladores Ethernet 3a, 3b a los transceptores 2a, 2b que a su vez envían las tramas a través de las líneas redundantes 1a, 1b.

En un dispositivo receptor 12, 13, las dos tramas 100a, 100b de un par se reciben normalmente casi simultáneamente. Cualquier diferencia entre los tiempos de llegada de las dos tramas se puede deber a procedimientos de arbitraje independientes para el acceso a las líneas individuales 1a, 1b o debido a retardos individuales en los conmutadores 20a, 20b o en otros elementos de conexión no mostrados en la Figura 2. En cualquier caso, se puede esperar que se mantenga el orden o secuencia de las tramas enviadas por un dispositivo 11 a través de una línea 1a, sin embargo una última trama 101a enviada a través de una línea 1a se puede recibir antes de que se reciba de una trama 100b que se envió a través de la otra línea 1b antes que dicha última trama 101a.

Los transceptores 2a y 2b son parte de la capa de protocolo más baja del proceso de transferencia de información, es decir la comunicación, la capa del módem o física en donde tiene lugar la modulación de los datos digitales. Los dos controladores Ethernet 3a, 3b establecen la conexión con los medios de comunicación y reciben y envían las tramas desde y a los controladores Ethernet correspondientes en otros dispositivos de red. Proporcionan los medios funcionales y de procedimiento para transferir datos entre dispositivos de red y para detectar y posiblemente corregir errores que puedan suceder en la capa física. Un procesador 10 ejecuta, entre otras tareas, los dos protocolos de la capa de enlace o controladores 4a, 4b que son parte de la capa de enlace de datos. La capa de enlace de datos se sitúa jerárquicamente por encima de la capa física y maneja los datos exclusivamente en forma digital o binaria. Un ejemplo prominente es Ethernet para redes de área local (LAN). Ethernet es una tecnología de conexión en red para ordenadores basada en paquetes que define el cableado y la señalización para la capa física, y los formatos de paquetes y protocolos para la subcapa de control del acceso al medio (MAC, del inglés “Media Access Control”) de la capa de enlace de datos. El protocolo de enlace de datos ejecutado generalmente en el controlador 4a, 4b se implementa a menudo según prescribe la norma IEEE 802.2, aunque el Protocolo de Internet usa un protocolo de enlace de datos transparente.

En la transmisión de datos convencional no redundante, la capa de enlace 4 de la pila de protocolos se conecta directamente a una capa de red 7 a través de un interfaz de la capa de enlace a red 6. La capa de red dirige los mensajes y traduce sus direcciones lógicas y nombres en direcciones físicas. La capa de red determina también la ruta desde la fuente al dispositivo de destino y gestiona los problemas de tráfico, tales como la conmutación, enrutado y control de la segmentación de los paquetes de datos. El protocolo de Internet (IP) es un protocolo de red ampliamente extendido que envía los datos como bloques denominados como paquetes o datagramas que comprenden una cabecera y un área de datos o de contenido útil. Por encima de la capa de red, se sitúa una capa de transporte no representada en la Figura 3, que a su vez funciona por ejemplo de acuerdo con el protocolo de control de transmisión (TCP) o el protocolo de datagramas de usuario (UDP). Por encima de la capa de transporte reside una capa de aplicación 9.

En principio, los dos protocolos de la capa de enlace 4a, 4b podrían enviar solamente ambas tramas redundantes a la capa de red 7 y la duplicación de tramas se podría manejar por parte de los protocolos de capas más elevadas en los procesadores 10. Por ejemplo, un protocolo de transporte tal como el TCP se diseña para rechazar duplicados que puedan aparecer en cada red debido al enrutado. Otros protocolos tales como el UDP o el ARP no detectan duplicados, pero suponen que la aplicación 9 no queda afectada por la recepción de duplicados. Esto último es verdad cuando la red lleva valores de muestra en aplicaciones industriales tales como IEC 61850, dado que una recepción de valores de medición muestreados duplicados no arriesga la precisión de la medición original. El Evento de Subestaciones Orientado a Objetos Genéricos (GOOSE, del inglés “Generic Object Oriented Substation Event”) se especifica por la norma de automatización de subestaciones IEC 61850 e involucra una pila de protocolos 8 reducida que permite a una aplicación 9 acceder a la capa de enlace del protocolo Ethernet directamente, es decir contorneando las capas usuales de red y transporte. Esto es más beneficioso para la comunicación rápida entre dispositivos de la misma “subred”, es decir sin cambiar en enrutadores o pasarelas. A modo de ejemplo, las señales para enclavamiento o los datos indicadores de un estado de la subestación que se muestrean en intervalos muy cortos de por ejemplo 4 ms, se transmiten de esta manera.

Sin embargo, el filtrado de duplicados en la capa de enlace 4 en lugar del manejo de tramas redundantes en la capa de transporte reduce la carga de cálculo del procesador. Adicionalmente, y en particular en el contexto de la automatización de subestaciones y el uso de la norma IEC 61850, se espera que un número de dispositivos que obedecen a esta norma se conecte a una red de comunicaciones para la automatización de subestaciones sin a priori obedecer a un protocolo de redundancia común. De nuevo, la eliminación de duplicados en la capa de enlace 4 evita someter a los protocolos de capas más altas 7, 8 de estos dispositivos a un tráfico doble.

De acuerdo con realizaciones preferidas de la presente invención, se introducen en la pila de protocolos una o más capas adicionales. En particular, una capa de mezcla 5, formalmente parte de la capa de enlace 4 y jerárquicamente por encima de los dos controladores de las capas de enlace independientes 4a, 4b, ejecuta el protocolo de redundancia y presenta a los protocolos de capas altas 7, 8 el mismo interfaz de la capa de enlace a red 6 que en el caso no redundante. Por ello, mientras que el protocolo de rechazo trabaje apropiadamente, la capa de aplicación 9 en los protocolos de capas altas 7 u 8 no notan en absoluto la presencia o ausencia de la redundancia. La capa de mezcla 5 en sí misma se comporta como una capa de red para los controladores de la capa de enlace 4a y 4b y realiza un seguimiento del estado de salud de las dos líneas redundantes 1a, 1b y por lo tanto puede señalizar las perturbaciones al gestor de la red, especialmente las situaciones de fuera de sincronismo y envejecimiento que sucedan en una de las dos líneas, que en otro caso permanecería sin detectar. La tarea principal de la capa de mezcla 5 consiste en la distinción de las tramas que participan en el protocolo de redundancia de las tramas no redundantes o únicas, por ejemplo mediante la inspección de un apéndice 200 como se detalla a continuación.

La Figura 4 muestra una trama típica usada en el protocolo de Internet sobre Ethernet, tal como se podría enviar tanto a través de la línea 1a como de la 1b. La trama comienza con un preámbulo 101, seguido por la dirección MAC de destino 102 que identifica el destino, seguido de la dirección MAC de la fuente 103 que identifica al remitente dentro de la misma subred. El siguiente campo 104 es el control de la capa de enlace, que obedece por ejemplo al 802.2, 802.1q o a otro protocolo de capa de enlace para controlar el tráfico de datos entre los dispositivos que comparten los mismos accesos al medio. A continuación llega el contenido útil 105, por ejemplo un paquete de Internet que consiste en una cabecera IP, una cabecera TCP y los datos útiles, o un paquete GOOSE en la IEC 61850. Concluye la trama una secuencia de comprobación de la trama FCS 106, por ejemplo una comprobación de redundancia cíclica CRC, calculada por el controlador del bus 3a, 3b.

Para la consideración del protocolo de redundancia, se insertan hasta cuatro campos de una longitud de bits predeterminada cada uno como un apéndice de redundancia 200 entre el contenido útil 105 y la secuencia de comprobación de la trama 106. Esta última comprende un contador de secuencia 201, un identificador de línea 202 que indica sobre cuál de las líneas se ha enviado o recibido la trama, una longitud del campo 203 que actúa como un identificador de redundancia y da la longitud de la trama sobre la que se calcula el FCS 106, por ejemplo desde el campo 101 al campo 204 inclusive, y un campo identificador opcional 204. Obviamente, el orden de los campos anteriormente mencionados en el apéndice de redundancia 200 no está limitado.

El campo de longitud 203 duplica la información en la cabecera de la capa de enlace 104 cuando esta última obedece a los protocolos IEEE 802.2, por ejemplo para una comunicación puente a puente. Sin embargo, las tramas de Internet sustituyen el campo de longitud por un tipo de protocolo, una rotura

potencial de la integridad que se supera mediante esta solución.

El identificador de línea 202 sirve para finalidades de gestión de red y permite comprobar que la red está configurada correctamente, en cuyo caso no sería posible que una trama de la línea 1a aparezca en la línea 1b. En algunas situaciones, por ejemplo durante la puesta en servicio o en redes con redundancia reducida, las dos tramas redundantes de un par se podrían recibir a través de la misma línea, en cuyo caso el receptor segrega las líneas mediante el campo identificador de línea 202. Aplicando el mismo protocolo que si las tramas redundantes se hubiesen recibido a través de líneas separadas. A la vez el receptor señaliza un error de configuración, dado que esta situación soporta el peligro de un único punto de fallo. En funcionamiento normal, el identificador de línea 202 puede tener asignada la codificación hexadecimal de “A” o “B”.

Para distinguir las tramas 100a, 100b enviadas de acuerdo con el protocolo de redundancia de las tramas no redundantes o únicas 100s, un receptor comprueba si el campo de longitud predeterminada localizado en la posición 203 tiene un identificador de redundancia que se ajusta al identificador de redundancia calculado por el controlador del receptor. En otras palabras, si el contenido del campo 203 no es igual a la longitud de la trama recibida calculada en el receptor, el receptor supone que esta trama no participa en el protocolo de redundancia y lo envía a las capas posteriores. Para la misma finalidad, se puede evaluar el campo identificador opcional 204 cómo se detalla adicionalmente a continuación.

Si uno o más de los campos anteriormente mencionados 203, 204 indican una trama redundante, esta trama se inspecciona adicionalmente mediante la evaluación del número de secuencia en el campo situado en la posición 201. La secuencia o contador de tramas 201 de la última trama sirve para la finalidad de rechazar duplicados como se describe a continuación. En principio, todas las operaciones se ejecutan en aritmética módulo N, siendo N el valor más grande del contador más uno, en el que el contador se espera que tenga 16 bits. En consecuencia, mientras se implementa el siguiente algoritmo y con referencia a las diferencias en los valores de contadores, se ha de tener un cuidado particular.

Como se ha mencionado anteriormente, cada remitente mantiene un contador de envío inicializado en un valor arbitrario y preferentemente aleatorio, inserta el mismo valor del contador de envío en ambas tramas de un par, a la misma vez que ajusta el identificador de línea 202 y calcula el campo de longitud 203. El valor del contador de envío se aumenta para cada par de tramas que el dispositivo de envío transmite en secuencia.

Como se representa en la Figura 5, un receptor mantiene, para cada remitente identificado por su dirección MAC y posiblemente su punto de acceso de servicio de la capa de enlace (LSAP, del inglés “Link Layer Service Access Point”), y para ambas líneas, una ventana de descarga de LW de valores de contador sucesivos, en el que la longitud de la ventana LW es un entero comprendido entre uno y una longitud de ventana máxima LWMax. La ventana de descarga se delimita por un contador de sincronismo CS y el siguiente número de secuencia esperado CN no recibido aún. Por definición, este último no es parte de la ventana de descarga, de modo que CN – CS = LW.

Tras la inicialización, el receptor acepta el valor del contador de la primera trama que recibe de un remitente como el contador de sincronismo CS de esa línea. Con referencia a la Figura 5, una trama con un valor de contador de 23 fue la primera que se recibió a través de la línea a, seguido por cuatro tramas más a través de la misma línea a. La ventana de descarga resultante de longitud LW = 4 se delimita por el contador de sincronismo CS = 23 y el siguiente número de secuencia esperado CN = 27 como se representa en la fila superior indicada por “Línea A1”.

Ahora, suponiendo que el receptor recibe una trama a través de la línea b con un valor de contador actual CCB de 25, el receptor verifica que el contador actual CCB tiene el valor esperado, en caso contrario, se generará un error de fuera de secuencia, y comparará el contador actual CCB con la ventana de descarga de la otra línea a. Dado que el contador CCB está dentro de la ventana de descarga de la otra línea, esta trama se ignora como si ya se hubiese recibido a través de la línea a. El siguiente número de secuencia esperado para la línea b se incrementa a CNB2 = CCB + 1. La ventana de descarga de la línea b se reduce a su longitud mínima mediante el ajuste del nuevo contador de sincronismo CSB2 a CCB, y la ventana de descarga de la línea a se acorta en correspondencia mediante el ajuste asimismo del contador de sincronismo CSA2 a CCB, suponiendo que el número de secuencia no irá hacia atrás y con referencia a las filas “Línea A2” y “Línea B2”.

A continuación, suponiendo que el receptor recibe, a través de la línea a, la siguiente trama esperada con un valor del contador actual CCA de 27. Como este valor CCA está fuera de la ventana actual para la línea b, la trama se acepta y se pasa a los niveles más altos. El tamaño de la ventana LWA se aumenta de 2 a 3 dado que el valor esperado a continuación CNA3 se incrementa en uno y el contador de sincronismo CSA3 se mantiene sin cambios, en tanto que la ventana de descarga de la línea b permanece en la longitud mínima como se representa en las filas “Línea A3” y “Línea B3”. Si se reciben sucesivamente un cierto número de tramas a través de la línea a, el procedimiento anteriormente mencionado se repite varias veces, y el tamaño de la ventana LWA se aumenta hasta el valor máximo LWMax. Tan pronto como se alcanza este máximo, el contralor de sincronismo CSA se aumenta asimismo, lo que a su vez puede hacer que el siguiente valor esperado CNB de la línea b caiga fuera de la ventana de la línea a. En este caso se incrementa un contador de error que señaliza que la línea b se ha detenido, y que las líneas están fuera de sincronismo. Este estado de fuera de sincronismo puede durar hasta que la marcha retrasada de la línea b se haya recuperado mediante el envío de una trama con un número de secuencia dentro de la ventana de descarga de la línea a.

El campo de identificador opcional 204 puede llevar información adicional, tal como una suma de comprobación de trama calculada de acuerdo con un algoritmo acordado entre receptor y emisor y puede servir como un identificador adicional para el rechazo de un procesamiento adicional de las tramas recibidas. En particular, la repetición de la suma de comprobación de la trama tal como se calcula por el protocolo Ethernet se puede usar como un identificador de redundancia adicional. De la misma forma, la suma de comprobación de una trama se puede almacenar en el receptor junto con el correspondiente valor del contador y rechazar una trama duplicada solamente cuando tanto el valor del contador como la suma de comprobación de la última trama coincidan con una trama redundante anterior. La presencia o ausencia del campo de identificador opcional 204 se puede indicar por un patrón de bits en el campo 202.

En las Figuras 1 y 2 las líneas se han representado como completamente separadas. Sin embargo en algunos casos, especialmente durante la instalación, algunos elementos físicos de un enlace físico punto a punto entre remitente 11 y receptor 13 están compartidos entre las dos líneas, evitando de ese modo la necesidad de una duplicación completa del enlace. Por ejemplo, la Figura 6 representa una configuración en la que la fiabilidad del conmutador 20 se considera suficientemente alta como para permitir su uso por ambas líneas 1a, 1b. De ese modo, se crean dos denominadas redes de área local virtuales 21a, 21b en lugar de las dos LAN físicas de la Figura 2. Para permitir que el conmutador 20 haga frente a esta situación, se deberían usar distintas direcciones MAC para las dos líneas 1a, 1b que acaban en el mismo único dispositivo 11, necesitando que se ejecute el Protocolo de Resolución de Direcciones (ARP) independientemente en ambas redes.

La Figura 7 a su vez muestra un módulo de redundancia separado 15 que comprende todos los elementos necesarios para la permuta de tramas entre las líneas 1a, 1b y la línea 1s, es decir los transceptores 2a, 2b, controladores 3a, 3b, protocolos de la capa de enlace 4a, 4b así como el protocolo de la capa de mezcla 5. Este último se conecta a un tercer protocolo de la capa de enlace única 4s y controlador 3s y una línea única correspondiente 1s. La capa de mezcla 5 es responsable de generar las tramas redundantes 100a, 100b para aquellas tramas únicas recibidas por el controlador 3s, y para la eliminación de las últimas tramas redundantes recibidas por uno de los controladores 3a, 3b como se ha descrito anteriormente. Obviamente, la funcionalidad del módulo de redundancia 15 se puede incorporar en un conmutador de redundancia 20 como se ha representado en la Figura 8, en el que básicamente los dispositivos no redundantes 30, 31 se conectan al dispositivo 11 a través de dos líneas redundantes 1a, 1b.

La trama o unidad de datos de protocolo (PDU) de acuerdo con la Figura 4 se puede utilizar ventajosamente para la introducción de autenticación y cifrado en Ethernet en una forma compatible hacia atrás como se detalla a continuación. Hasta ahora, los protocolos de seguridad se han introducido en las capas de comunicación de red (IP-), transporte (TCP-) y superiores, mediante la adición de los campos de cabecera normalizados apropiados en sus respectivas PDU, es decir en el paquete transmitido. Estos campos indican al nodo receptor cómo realizar la autenticación y descifrado del mensaje del PDU. Esto supone que los nodos de destino son capaces de leer aquellos campos adicionales relevantes para la seguridad y procesarlos en la PDU en consecuencia. En la capa de (enlace de) Ethernet, no se ha normalizado hasta la fecha un protocolo de seguridad. No obstante se requiere tal capa de seguridad de Ethernet (i) para la protección contra interferencias en la capa de enlace (dirección fuente de la capa de enlace interferida) y (ii) para la protección en donde no se disponga de protocolos de seguridad de capas más altas. Esto último ocurre por ejemplo en las Ethernet industriales, en particular en el área de la automatización de subestaciones, en el que las capas TCP/IP se contornean para una transmisión más rápida dentro de una red de área local como se ha especificado por ejemplo por el protocolo GOOSE mencionado anteriormente. En este caso, ya no es posible confiar en los protocolos de seguridad de la capa IP-o TCP-para la protección de tales PDU “solo Ethernet” contra escucha o adulteración.

Una forma directa de introducir protocolos adicionales tales como protocolos de seguridad es mediante la definición de los campos apropiados en la parte de control de la capa de enlace (LLC, del inglés “Link Layer Control”) 104 de la cabecera del paquete Ethernet que proporciona la necesaria activación. Nodos que son capaces de reconocer estos valores cuando conocen cómo interpretar campos de cabecera adicionales que pertenecen al cifrado y/o autenticación y pueden procesar las PDU en consecuencia. Esta solución requiere que haya una norma que especifique esos campos. Aparte de las asignaciones de tipo Ethernet anteriores, no se ha establecido sin embargo ninguna norma de protocolo adicional de seguridad en Ethernet hasta la fecha. Pero incluso con tal norma, esta solución requiere que todos los nodos en la red deban ser capaces de reconocer estos campos. Si una fuente trasmite un paquete Ethernet, mediante emisión única o emisión múltiple, que lleve campos de protocolos de seguridad, los nodos receptores “incompatibles” que no puedan reconocer esos campos no serán capaces de leer correctamente el resto del paquete. Debido a la falta de implementación de protocolos de seguridad Ethernet normalizados en las tarjetas de interfaz de red Ethernet, tal problema de compatibilidad hacia atrás se convierte a menudo en una barrera infranqueable para la introducción de la seguridad en Ethernet.

Para introducir la seguridad en Ethernet de una manera compatible con los nodos receptores Ethernet que no participan en el esquema de seguridad, se puede usar un método similar al introducido anteriormente para la introducción de la información de redundancia. Análogamente al identificador de redundancia que es parte del apéndice de redundancia 200 añadido al final de la PDU como se ha representado en la Figura 4, se introduce un identificador de seguridad, preferiblemente en la forma que un campo de longitud de trama. Para distinguir las PDU de acuerdo con el protocolo de seguridad de las otras, un receptor comprueba que el valor localizado en la posición del campo de longitud 203 es idéntico a la longitud del paquete físico tal como se determina por el controlador del receptor Ethernet. Si éste no es el caso, el receptor supone que esta trama no participa en el protocolo de seguridad y lo envía a las capas superiores sin ningún procesamiento adicional. Si el valor concuerda, el receptor decodifica los campos restantes del apéndice de redundancia de acuerdo con el formato decidido por el protocolo de seguridad Ethernet y actúa en consecuencia. A modo de ejemplo, los campos de seguridad de interés se pueden tomar de la definición de las conocidas cabeceras IPSec, específicamente la cabecera de contenido útil de seguridad encapsulado (ESP). En consecuencia, dichos campos de apéndice comprenden (i) un índice de parámetros de seguridad que apunta a la entrada relevante en la base de datos de política de seguridad (indicando los tipos y claves del algoritmo de cifrado y/o autenticación), (ii) un número de secuencia para la protección de reproducción, (iii) un código de autenticación del mensaje (MAC, del inglés “Message Authentication Code”). Este último puede cubrir a la PDU completa para la verificación de la integridad del paquete y la fuente del paquete.

Los nodos que no entiendan el protocolo de seguridad Ethernet serán capaces de leer el paquete no cifrado, aunque sin ser capaces de verificar la integridad y la autenticidad. La recepción sin autenticación del mensaje o sin descifrado puede ser suficiente para receptores no críticos, por ejemplo de paquetes de emisión múltiple. El cifrado, si está permitido en el modo de transporte, debe sin embargo excluir ciertos campos de dirección Ethernet, para permitir a los conmutadores que realicen una conmutación basada en las direcciones incluso si no participan en el protocolo de seguridad Ethernet.

Los receptores Ethernet que no participen el protocolo de seguridad simplemente no leerán los campos añadidos, pero aún serán capaces de leer correctamente las PDU y procesar la secuencia de comprobación de la trama (FCS) para detección de errores. De ese modo, este esquema permite la introducción compatible de nuevos protocolos de seguridad Ethernet. Si se emplea en la red tanto un protocolo de seguridad como un esquema de redundancia, se puede usar un identificador combinado de redundancia y/o seguridad para indicar este hecho, complementado con etiquetas adicionales que señalicen la presencia de cualquiera de ellos o de ambos en la PDU.

LISTA DE DESIGNACIONES 1a, 1b, 1s líneas 2a, 2b, 2s transceptores de línea 3a, 3b, 3s controladores Ethernet 4a, 4b, 4s protocolos /controladores de la capa de enlace 4 capa de enlace 5 capa de mezcla 6 interfaz 7 red y capas superiores 8 pila de protocolos GOOSE 9 aplicación 10 procesador 11,12 dispositivos de envío 13,14 dispositivos receptores 15 módulo de redundancia 20, 20a, 20b conmutadores 21a, 21b LAN virtuales 30, 31 dispositivos únicos / no redundantes 100a, 100b tramas redundantes 100s trama única 101 preámbulo 102 dirección de destino MAC 103 dirección de origen MAC 104 control de la capa de enlace 105 contenido útil, datos del protocolo más alto 106 secuencia de comprobación de la trama FCS 200 apéndice de redundancia 201 contador de secuencia o trama 202 identificador de línea 203 identificador de redundancia, campo de longitud de la trama 204 campo de identificador opcional

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un método de recepción de tramas por un dispositivo (13, 14, 15, 20) en una red de comunicaciones, en el que el dispositivo (13, 14, 15, 20) tiene un primer y un segundo controlador de red (3a, 3b) conectados respectivamente a una primera y a una segunda línea (1a, 1b) para la recepción de tramas (100a, 100b, 100s) enviadas por un dispositivo de envío (11, 12, 30, 31) a través de la red, que comprende,

   -la determinación de si una trama (100a, 100b, 100s) recibida a través de una de entre la primera y la segunda línea (1a, 1b) es una trama única (100s) transmitida a través de una línea (1a, 1b) solamente o si la trama es una trama redundante de un par de dos tramas redundantes (100a, 100b) transmitidas respectivamente a través de la primera línea (1a) y la segunda línea (1b) de acuerdo con un protocolo de redundancia, -si se determina que la trama es una trama redundante, la determinación de si la trama es una primera trama o una segunda trama de un par de dos tramas redundantes (100a, 100b), y -el envío de la trama (100a, 100s) para un procesamiento adicional a menos que se determine que la trama es una segunda trama (100b),

   la etapa de determinación de si la trama es una trama única o redundante comprende, -el cálculo, por parte del dispositivo (13, 14, 15, 20), de un identificador de redundancia basándose en la trama tal como se recibe, identificador de redundancia que comprende una longitud, una función de hash o una suma de comprobación de la trama, y -la comparación de este identificador de redundancia calculado con un identificador de redundancia incluido en un campo (203, 204) añadido a una trama redundante en el dispositivo de envío como parte del protocolo de redundancia para las tramas redundantes y ausente en la trama única (100s).

2. 2.

   El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de determinación de si la trama es una trama única o redundante se ejecuta en una capa de mezcla (5) de la pila de protocolos del dispositivo (13,

   14, 15), en la que la capa de mezcla (5) recibe tramas de dos controladores de la capa de enlace (4a, 4b) conectados a los controladores de red (3a, 3b) y envía las tramas identificadas como única y primera (100s, 100a) a una capa posterior (7, 8, 4s) para un procesamiento adicional.

3. 3.

   El método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la capa de mezcla (5) presenta una interfaz única de enlace a red (6) hacia una capa del protocolo de nivel más alto (7, 8).

4. 4.

   El método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la capa de mezcla (5) envía las tramas identificadas como única y primera (100s, 100a) a través de un controlador único (3s) a una línea única o a un bus no redundante (1s).

5. 5.

   El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el identificador de redundancia es la longitud de la trama (203) de la trama redundante (100a, 100b).

6. 6.

   El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de determinación de si la trama es una primera trama o una segunda trama del par de dos tramas redundantes (100a, 100b) comprende

   -la comparación de un valor de contador (CCB) comprendido en un campo (201) añadido a ambas tramas redundantes del par como parte del protocolo de redundancia en el dispositivo de envío (11), con una ventana de descarga (CSA1-CNA1) mantenida en el dispositivo receptor

   (13) para el dispositivo de envío (11), en el que la ventana de descarga comprende un número de valores de contador sucesivos que preceden al siguiente número de secuencia esperado CN no recibido aún.

7. 7.

   El método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque se mantienen ventanas de descarga separadas en el dispositivo receptor (13) para ambas líneas (1a, 1b) y cada dispositivo de envío (11, 12).

8. 8.

   El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los dos controladores de red (3a, 3b) son controladores

   Ethernet y por que la red de comunicación sirve para la finalidad de automatización de subestaciones.

9. 9.

   Un programa de ordenador para la recepción de tramas por parte de un

   5 dispositivo receptor (13, 14) en una red de comunicaciones, programa de ordenador que se puede cargar y ejecutar en una unidad de procesamiento de datos y programa de ordenador que, cuando se ejecuta mediante una unidad de procesamiento de datos, realiza el método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8.

   10