CN101682555A - 网络的快速环冗余 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网络操作方法和一种网络，该网络包括至少一个交换机(400)和与所述至少一个交换机(400)连接的网络基础结构设备，所述至少一个交换机(400)受到控制单元(700)的控制。根据本发明，连接在交换机(400)与控制单元(700)之间的冗余单元(550)分析交换机(400)与控制单元(700)之间的数据流，并且根据分析结果将数据插入到数据流中和/或从数据流中删除数据。

Description

网络的快速环冗余
技术领域
本发明涉及一种如独立权利要求的前序部分所述的网络和网络操作方法。
即尤其关系到用于网络中的以太网交换机的发明。尤其是，本发明涉及特定环境操作下的网络内的交换机。但本发明不必局限于交换机方面的使用，而是在这里优选应用。因此，本发明在下面都应用于交换机，虽然它可普遍用在与通过至少两个网络接入连接到网络的前述电子装置上。
背景技术
如果网络由交换机构建，则通常存在这样的要求，即在传导中断的情况下自动切换到在该时间点之前冗余的不活动的连接。通过这种方式，数据传输中断减至最小。
为此，国际标准IEEE802.1D描述了生成树协议(STP)并在新任务部分描述了较为快速的变型，即快速生成树协议(RSTP)。这里涉及到网络可与交换机随意结合的情况。对于以太网，通常在两个参与者之间始终仅允许存在一个活动的连接。该协议利用其算法将网络分解成一个树状结构并使所有双重连接不活动。然后在需要时，即在原始连接发生故障时激活所有双重连接。RSTP协议能实现可靠的切换，但在网络直径和切换到冗余连接的可靠切换速度上存在局限性。这意味着，不能始终确保切换能非常快速地进行或在精确确定的时间内进行。因此，该协议在切换时间方面不是确定性的。此外，对该协议的使用不利的是，拓扑可以是任意的，由此无法始终简单地推导概要性和可预见性。
基于此，专利文献WO99/46908详细说明了一种环冗余方法，该方法的特征在于，环形式的拓扑简单，确定性的切换时间最大为500ms(毫秒)。该方法以自动化技术实现并且实际上按照IEC工作组IEC62439标准化。在此情况下，切换时间最大可达到200ms。
问题：
在自动化中对网络的需求逐步增大。所保证的500ms或200ms的最大故障时间不再适用于多种应用场合。作为实例，这里提及的是安全性/工作可靠性的范围。该范围内的设备越来越多地基于以太网通信而构建。在此，将这种安全协议应用的网络认为是透明的。然而电网故障由安全要求严格的应用识别，并会马上导致停机。由此提出的要求是，电网故障短到对安全要求严格的应用来说不必视为很相关。由于实际应用上的原因，产生了这样的要求，即故障必须确保小于20ms。利用常规公知的系统不再能满足这样的要求。迄今已有的方案是由CPU系统和交换机芯片共同组成的，在该CPU系统上除了实现多种不同的时间集中的功能外还执行协议，而交换是通过交换机芯片进行的，且交换机芯片同样通过CPU系统得到控制(为此参见图1中的已知系统)。
为了解决实现尽可能短且得到保障的切换时间这一问题，迄今给出的技术手段如下：
1.CPU系统相应地被优化，由此为执行冗余协议而提供最大系统资源。不过，由于预先给定了固定的容量而使得反应时间由此只能得到很有限地缩短；
2.完整的冗余功能集成到交换机芯片中。目前对此却不存在可利用的方案。没有商业上通用的具有相应功能的交换机芯片。此外，CPU系统的优化仅利于冗余功能也是无意义的，因为系统在相应提高效率时却导致系统的成本不再符合市场需要。
技术方案：
该方案是一种对于冗余协议的快速执行得到优化的系统。该冗余协议的基本功能在此遵循专利WO99/46908中所述的功能。
发明内容
根据本发明，这样规定：在控制单元与至少一个交换机之间连接一个冗余单元。这样做的优点在于，无论是控制单元还是交换机都能履行其本身的任务，并且避免了在故障情况下网络冗余所遇到的任务。由此，能够以特别有利的方式明显地缩短故障情况下的反应时间，由此加快对这种故障的反应时间。
该构思是这样一种结构：其在原理上与现有系统相同并设置在标准部件之上。但该结构在完全确定的位置上通过一个加快冗余协议的专用组件加以补充。
所述方案的特点在于，该组件构建在CPU系统与交换机之间的两个连接中。通过这些连接，组件一方面运行以太网数据，另一方面运行交换机组件的配置数据和诊断数据。通常，以太网数据通过MII、RMII、SMII、GMII或SGMII或制造商指定的接口传输。与芯片进行的配置通信通过并联或串联接口例如SPI或MDIO执行。
在本发明的改进中，冗余单元具有输入单元和存储单元。这样做的优点在于，用于网络冗余任务的数据和程序(软件)可独立于控制单元或独立于交换机输入到冗余单元中。这意味着，网络冗余任务所涉及的变化可独立于控制单元的操作或独立于交换机或网络其他部件的操作进行。
作为替换或补充，在本发明的改进中这样规定：冗余单元具有至少一个用于起到功能扩展目的的模块的插入空间。因此，替代输入单元或作为输入单元的补充，可以进行功能扩展，以便例如能够改变、最好是扩展冗余单元的功能范围或软件。
在本发明的改进中，控制单元通过以太网接口并通过配置接口与冗余单元连接。此外，作为替换或补充，这样规定：冗余单元通过以太网接口并通过配置接口与交换机连接。这样做的优点在于，通过一个接口，可以在网络及其参与的网络基础结构设备内进行数据交换，而通过其他接口可交换配置数据。
在本发明的改进中这样规定：冗余单元构造为ASIC或FPGA。ASIC(专用集成电路)构造的优点在于，根据网络任务并在考虑网络运营商需求的情况下，可将用以操作冗余单元的所需数据、参数以及类似物组合到该专用集成电路中。由此提高了符合网络要求的冗余单元的独立性。作为替代，这样规定：冗余单元构造为FPGA(现场可编程门阵列)。FPGA包含可编程逻辑部件和在这些部件之间具有可控开关的可编程连接线路，其中整个系统构造为场或矩阵。这些部件可实现基本的逻辑功能，还组合连接成复杂的逻辑电路，如译码器、编码器或数学函数。FPGA的优点在于，它在制造后由将这些组件放置到其电路中的使用者来编程。但本文中编程的概念不应理解为形成用于处理器的软件。在FPGA中，电路结构借助于硬件描述语言或采取线路图的形式设置，随后出于配置的目的将这些数据传递到组件中。在FPGA中，将由此确定的开关位置激活或去激活，随后就得到了具体实现的数字电路。由于FPGA的功能仅通过配置确定，于是相同的组件就可用于多种不同的电路和应用。由此带来的优点在于，可大批量生产这样的组件，例如在原型(Prototypen)的情况下，主要是小系列物体，较之ASIC成本要低廉得多。
在本发明的改进中，冗余单元连接在控制单元的物理接口(PHY)与其媒体访问控制(MAC)之间。
此外，根据本发明，提出了一种网络操作方法，其中，连接在交换机与控制单元之间的冗余单元分析交换机与控制单元之间的数据流，并根据分析结果将数据插入到数据流中和/或从数据流中删除数据。
在本发明的改进中这样规定：与冗余单元触立地以可预定的数据速率发送和/或接收测试数据，尤其是测试数据包。
在本发明的改进中这样规定：测试数据为网络环数据或连接数据，借助其检查网络环是否发挥功能并且检查所属网络基础结构设备之间的连接是否形成。在此，例如这样构造网络拓扑，即在环网络中，对应于其功能存在诸如交换机、集线器、路由器、PC传感器、执行单元等网络基础结构设备。
这种系统的结构(网络的一部分)在图2中示出。
冗余单元例如可采取FPGA的形式实现，但是也可构造为ASIC。作为FPGA实现的特点在于，功能性也可在FPGA操作期间实现，由此也可以通过软件更新来实现FPGA的逻辑功能。
本发明的一部分在于，冗余单元可独立地从交换机芯片与CPU之间的数据流中分析和删除以太网数据包，正如将数据包独立地插入到数据流中那样。此外，冗余单元可独立地利用交换机核心交换配置数据和诊断数据。
本发明的另一部分在于，功能被内建到MAC与PHY之间的接口中，并且直到冗余功能对其余系统是完全透明的。
作为加快冗余的基本功能，冗余部件提供了以下功能模块：
-以可选的数据速率独立发送和接收测试数据包；
-与交换机芯片独立通信并且在此可触发下述功能：清除地址表、切换阻塞的相关端口、切换转发的相关端口；
-控制对交换机芯片的通信接口进行访问的权限(CPU或冗余部件)。
此外，冗余协议的主要功能在冗余部件中运行。
利用测试数据包，可检查两个对于冗余监控必要的状态。利用环测试数据包可检查环是否发挥功能。利用连接测试数据包可检查两个设备之间的连接是否发挥功能。在此情况下，连接测试数据包是必需的，因为已经表明：该方法不能可靠地、特别是不够快速地识别由芯片所通报的、对两个端口之间是否存在连接作出识别的连接状态。
由于测试数据包由冗余单元生成，则能够以这样高的速率生成测试数据包，从而在足够短的时间内识别出连接故障，正如识别出连接建立那样。
该技术方案的其它优点在于，冗余单元直接与交换机芯片通信，不用通过CPU系统间接进行。这样就可以特别快速地完成因接收控制数据包而产生的必要的切换过程。
利用该技术方案，可以通过将以软件完成的时间要求不严格的功能与以硬件完成的时间要求严格的功能分开，将对网络故障的所希望的反应时间加快到20ms以下。
对功能图1的说明
图1示出了具有管理功能的以太网交换系统的典型实际状态；
这种以太网交换系统的典型结构由CPU系统300构成，其具有以太网接口200并通过以太网端口与以太网交换机100直接连接。以太网交换机在外部的以太网端口110和CPU系统之间交换以太网数据包。此外，以太网交换机100通过配置接口201与CPU系统300连接，通过该CPU系统传输控制和状态信息。
对功能图2的说明
图2示出了具有管理功能的以太网交换系统的改型。该以太网交换系统的改型由冗余部件(FPGA、ASIC或通信处理器)550构成，其连接在CPU系统700与以太网交换机400之间。以太网数据流在此通过以太网接口600和500流向以太网交换机400，进一步流向外部的以太网端口410。控制和状态信息流经配置接口601和501。在冗余部件550中，通过控制使得在CPU与冗余功能或数据丢失之间不会产生访问冲突。
总的来说，本发明以下述结构或下述工作方式为特征：
具有至少两个网络连接端的以太网部件，其特征在于，在CPU系统与交换机、尤其是与交换机核心之间具有一个专用的冗余部件，其以硬件实现冗余协议。
该冗余部件连接到CPU系统与交换机核心之间的数据通信中，并能独立地补充和滤出数据包。
该冗余部件连接到CPU系统与交换机核心之间的配置通信中，并能独立地将配置命令发送给交换机核心并读出必要的配置数据。
CPU系统与交换机核心之间的数据通信借助于通信限制如此设置，即，始终有足够的带宽可用于冗余部件，以便独立地馈入数据包。
对于CPU系统与交换系统之间的配置通信而言，使用专门的握手协议，其确保冗余部件相对于CPU访问获得必要的优先级。
此外，冗余部件的特征在于，其能为系统扩展原有的交换硬件所不能提供的附加功能。
冗余部件的特征在于，其可针对CPU系统方向上任意的数据速率限制而加以扩展。
冗余部件的特征在于，可转发确定的数据包，而不会给CPU系统增加负担。

Claims (10)

1、一种网络，该网络包括至少一个交换机(400)，该至少一个交换机具有与网络的网络基础结构设备的接口(410)，其中，给该至少一个交换机(400)分配控制单元(700)，该控制单元(700)与交换机(400)连接以进行数据交换，其特征在于，控制单元(700)与交换机(400)之间连接有冗余单元(550)。
2、如权利要求1所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)具有输入单元和存储单元。
3、如权利要求1或2所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)具有至少一个用于起到扩展冗余单元(550)的功能的目的的模块的插入空间。
4、如权利要求1至3之一所述的网络，其特征在于，该控制单元(700)通过以太网接口(600)和配置接口(601)与冗余单元(550)连接。
5、如权利要求1至4之一所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)通过以太网接口(500)和配置接口(501)与交换机(400)连接。
6、如前述权利要求之一所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)构造为ASIC或FPGA。
7、如前述权利要求之一所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)连接在控制单元(700)的物理接口(PHY)与其媒体访问控制(MAC)之间。
8、一种网络操作方法，该网络包括至少一个交换机(400)和与所述至少一个交换机(400)连接的网络基础结构设备，其中所述至少一个交换机(400)受到控制单元(700)的控制，其特征在于，连接在交换机(400)与控制单元(700)之间的冗余单元(550)分析交换机(400)与控制单元(700)之间的数据流，并且根据分析结果将数据插入到数据流中和/或从数据流中删除数据。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，由冗余单元(550)独立地以可预定的数据速率发送和/或接收测试数据，尤其是测试数据包。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，测试数据为网络环数据或连接数据，借助于其检查网络环是否发挥功能并且检查所属网络基础结构设备之间的连接是否形成。
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