CN101753397A - 一种以太环网快速自愈的系统、方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以太环网快速自愈的系统、方法及设备。本发明提供的系统包括一个驻守节点和至少一个协同节点，驻守节点和协同节点组成一个环状网络。本发明的方法是利用上述系统，当环网中的第i个协同节点的直连链路故障时，故障消息报文会迅速遍历所有节点，同时更新转发地址表，而第i个协同节点变为驻守节点，原驻守节点变为协同节点，完成这个网络的自愈。本发明的设备是提供了一种能实现驻守节点和协同节点功能的装置，其本质是一个可网管以太网交换机，包括CPU模块，CPU模块通过以太网控制接口与以太网交换芯片相连。本发明的优点是：针对性强、反应迅速且稳定可靠。

Description

一种以太环网快速自愈的系统、方法及设备

技术领域

本发明涉及一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统、方法及设备，属于以太环网保护技术领域。

背景技术

随着我国数字化变电站自动化系统的蓬勃发展，以太网设备的应用有着越来越广泛的需求。这些设备组成的网络是连接站内各种智能电子设备的纽带，是数字化变电站自动化系统的命脉，其可靠性是系统可用性的重要决定因素。

由于长距离组网应用的需求，在数字化变电站中通常可见使用光纤互连的环形拓扑结构网络。例如风电站的监控和管理，站间距离非常长，采用环形拓扑可使布线最为经济。但是，普通环网在其中某个节点或链路发生故障时即会造成通信中断，可靠性较差。而具有快速自愈功能的以太环网可大幅提高通信网络的可靠性，满足变电站系统对网络可靠性的要求。

由于以太网交换机组成环网后，如果存在二层环路，会造成数据包在网络中循环转发，导致交换机不堪重负，网络瘫痪。快速生成树协议(RSTP)是一种能阻塞网络冗余来达到消除网络二层环路目的的协议，通过网桥控制协议包的交换，将网络配置成逻辑上不成环的树状拓扑结构。在这种结构的网络中，任意两个通信终端只有一条有效路径，其余的路径作为冗余备份路径，逻辑上的连接处于断开状态。在物理拓扑发生变化时，网络重新计算生成树配置，调整相关交换机的端口状态，例如接通处于断开状态的备份路径，同时还要更新各台交换机中的转发地址表。原理上，这种协议具有通用性，适用于任意物理拓扑结构的网络。对于环网拓扑，RSTP算法过于复杂，使环网的自愈速度较慢，一旦环网中的通信链路发生故障，大量的数据包会由于链路倒换迟缓而丢失，因此一般无法满足数字化变电站自动化系统对网络可靠性的要求。

为了解决以太环网快速自愈的问题，一种快速环网保护协议(RRPP)被用于以太环网中，防止二层环路，当以太环网上的一条通信链路断开时，迅速启用备份链路以恢复环网上各个节点之间的通信。其故障检测主要通过告警机制和轮询机制实现，当环网中的主节点检测到链路故障时，释放其副端口使其能够收发业务报文，同时发送转发地址表更新报文。当故障恢复时，曾发生故障的节点临时阻塞故障端口，但能透传协议报文，主节点检测到自己发送的协议报文后阻塞副端口，并发送报文通知其他节点打开临时阻塞端口，刷新转发地址表。这种故障自愈方式提供了较完善的环网故障自愈功能，能在较短时间内将备份链路倒换到工作状态。而其故障恢复倒换机制较为繁琐，其间还存在短暂的两处断环状态，这样，故障恢复时也会造成数据包丢失。另外，这种故障自愈方式在某条链路由于工作条件恶劣而频繁发生故障时，会发生网络拓扑状态来回变换的现象，影响网络的稳定，从而降低了环网的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的冗余阻塞和网络自愈系统、方法及设备，既可满足网络快速自愈的需求，还能有效抵御同一处链路频繁故障对网络运行稳定性的破坏，尽可能地减少各种因素造成的数据包丢失，更好得适应数字化变电站自动化系统环形组网的应用需求。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统，其特征在于，包括：

一个具有发信端口TP和备用端口BP的驻守节点设备，用于从发信端口TP转发故障消息报文，将备用端口BP阻塞防止二层环路，在收到故障消息报文时开通备用端口BP，在故障恢复时保持备用端口RP处于阻塞状态；

至少一个具有发信端口TP和监控端口MP的协同节点设备，用于从监控端口MP接收故障消息报文，从发信端口TP转发故障消息报文，在检测到监控端口MP所在链路发生故障时阻塞监控端口MP，并由发信端口TP发出故障消息报文；

驻守节点设备和各个协同节点设备之间通过将上述端口相连形成环，驻守节点的发信端口TP连接第一个协同节点的监控端口MP，第一个协同节点的发信端口TP连接下一个协同节点的监控端口MP，以此类推，最后一个协同节点的发信端口TP连接驻守节点的备用端口BP。

本发明的另一个技术方案是提供了一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统，其特征在于，步骤为：

步骤1、按上述的以太网环形组网链路故障快速自愈系统搭建环网；

步骤2、当环网中的第i个协同节点的监控端口MP检测到其直连链路故障时，一方面产生并通过发信端口TP发送故障消息报文，另一方面更新转发地址表，并阻塞监控端口MP，第i个协同节点变为驻守节点；

步骤3、第i+1个协同节点收到故障消息报文后，更新转发地址表并向下一个节点转发故障消息报文，以此类推直至将故障消息报文传送给原驻守节点；

步骤4、当原驻守节点的备用端口BP收到故障消息报文后，一方面通过发信端口TP发送故障消息报文下一个协同节点，使得故障消息报文遍历所有协同节点，另一方面原驻守节点将备用端口BP开通，更新转发地址表，原驻守节点变为协同节点。

本发明还提供了一种具有驻守节点和协同节点功能，并能在故障自愈时实现功能角色切换的以太环网快速自愈的设备，其特征在于，包括CPU模块，CPU模块通过以太网控制接口与以太网交换芯片相连，在CPU模块内设有以太网控制管理单元、以太网数据收发单元和链路故障中断处理单元，交换芯片提供n个端口。

本发明的技术方案引入中断处理机制，能将数据链路的故障事件迅速通告CPU模块，同时便于CPU处理程序快速地判断处理，以最短的时间完成响应动作。

本发明中的协同节点只检测监控端口的链路故障，这种方式比检测两个成环端口所需的时间少，有利于尽可能提高故障自愈速度。

本发明中驻守节点和协同节点通过交换芯片实现故障消息报文硬件转发，大大提高了网络的响应速度。并且，通过这种转发方式，环网自愈时间与环网内的节点数量几乎无关，由于一个节点的数据转发时间是微秒级的，因此即使有较多的设备，故障消息报文也能在极短的时间内遍历所有节点。此外，由于CPU软件处理时间一般远多于数据包硬件转发的时间，这样，环网内的所有节点交换机能近乎同步地完成转发地址表更新，因此，可以获得相当快的网络收敛速度，并具有网络规模可扩展的优点。

本发明的链路故障处理方法中，阻塞故障链路所在的监控端口，并保持其阻塞状态能有效地提高环网的稳定性。由于驻守节点收到故障消息报文后立即开通备用端口，如果故障链路的双向通路并没有全部断开，就会造成某一向通路发生二层环路，因此阻塞监控端口能防止这种情况下的环路发生。当故障恢复时保持原有阻塞端口状态，能有效降低该处链路可能发生频繁故障而对网络稳定性的影响。在长距离的环网链路中，造成故障的因素比较复杂，当某处工作链路发生故障而中断时，说明这条链路已经变得不太可靠，即使修复，再次发生故障的可能性相对其它链路较大，例如可能会发生时好时坏的情况。因此将其保持为备用链路，而选用较优质的链路投入工作，更能确保环网的稳定性和可靠性。

综上所述，本发明的优点是：针对性强、反应迅速且稳定可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统的示意图；

图2A为故障发生前的示意图；

图2B为故障自愈时的示意图；

图2C为故障自愈后的示意图；

图3为本发明提供的设备的结构示意图；

图4A为实施例驻守节点控制流程图；

图4B为实施例协同节点控制流程图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，但等价形式的改动或修改同样落于本申请所述权利要求书所限定的范围。

实施例

如图1所示，为本发明提供的一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统的示意图，包括一个具有发信端口TP和备用端口BP的驻守节点设备101，用于从发信端口TP转发故障消息报文，将备用端口RP阻塞防止二层环路，在收到故障消息报文时开通备用端口BP，在故障恢复时保持备用端口BP处于阻塞状态；

五个具有发信端口TP和监控端口MP的协同节点设备102，用于从监控端口MP接收故障消息报文，从发信端口TP转发故障消息报文，在检测到监控端口MP所在链路发生故障时阻塞监控端口MP，并由发信端口TP发出故障消息报文；驻守节点设备101和各个协同节点设备102之间通过将上述端口相连形成环，驻守节点的发信端口TP连接第一个协同节点的监控端口MP，第一个协同节点的发信端口TP连接下一个协同节点的监控端口MP，以此类推，最后一个协同节点的发信端口TP连接驻守节点的备用端口BP。

本发明还提供了一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统，其特征在于，步骤为：

步骤1、按上述的以太网环形组网链路故障快速自愈系统搭建环网；

步骤2、当环网中的第i个协同节点的监控端口MP检测到其直连链路故障时，一方面产生并通过发信端口TP发送故障消息报文，另一方面更新转发地址表，并阻塞监控端口MP，第i个协同节点变为驻守节点；

步骤3、第i+1个协同节点收到故障消息报文后，更新转发地址表并向下一个节点转发故障消息报文，以此类推直至将故障消息报文传送给原驻守节点；

步骤4、当原驻守节点的备用端口BP收到故障消息报文后，一方面通过发信端口TP发送故障消息报文下一个协同节点，使得故障消息报文遍历所有协同节点，另一方面原驻守节点将备用端口BP开通，更新转发地址表，原驻守节点变为协同节点。

在上述过程中，所有节点的发信端口均忽略其直连链路故障。驻守节点的备用端口忽略其直连链路故障。在故障链路恢复后，由协同节点转变的驻守节点保持静默状态，保持其备用端口为阻塞状态。

以下结合图2A至图2C来具体说明上述方法。

如图2A所示，由驻守节点设备101、第一协同节点设备1021、第二协同节点设备1022、第三协同节点设备1023、第四协同节点设备1024、第五协同节点设备1025组成的以太环网处于正常工作状态。驻守节点设备101阻塞备用端口BP使与该端口直连的链路只能传输故障消息报文。

如图2B所示，当第三协同节点设备1023的监控端口MP检测到连接链路发生故障，立即通过发信节点TP发送故障消息报文，并更新自身的转发地址表，阻塞监控端口MP。由第三协同节点设备1023的发信端口TP发出的故障消息报文，进入第四协同节点设备1024的监控端口MP，由第四协同节点设备1024内部的交换芯片转发，由其发信端口TP发出。第四协同节点设备1024在收到报文后更新自身的转发地址表。第四协同节点设备1024转发的故障消息报文，进入第五协同节点设备1025的监控端口MP，第五协同节点设备1025更新自身的转发地址表，报文由其发信端口TP转发，进入驻守节点设备101的备用端口BP。驻守节点设备101在收到报文后开通备用端口BP，更新自身的转发地址表。故障消息报文再由驻守节点设备101的发信端口TP转发，依次通过第一协同节点设备1021和第二协同节点设备1022，使其更新转发地址表。由于第二协同节点设备1022到第三协同节点设备1023的链路已经发生故障而断开，故障消息报文无法再转发到第三协同节点设备1023。至此，环网的备份链路投入了工作，环网中的所有节点设备更新了转发地址表，数据流量通过新的路径进行交换，以太环网故障自愈的倒换操作完成。

如图2C所示为以太环网完成故障自愈后的状态。发生故障之前的驻守节点设备101，在完成环网故障自愈后，其角色变为协同节点，该节点上与第五协同节点设备1025相连链路的端口成为监控端口MP，处于开通状态。环网发生故障时所属监控端口检测到直连链路故障的第三节点设备1023，在完成环网故障自愈后，其角色变为驻守节点，该节点上连接故障链路的端口成为备用端口BP，处于阻塞状态。

在上述系统及方法中，驻守节点及协同节点可以通过常见的可网管以太网交换机来实现，使用具有以太网控制接口的CPU对以太网交换芯片进行控制。CPU通过管理接口可以从受控交换芯片收集各个以太网端口的状态信息以实现对端口的监视，也可以设置交换芯片内部的寄存器以实施对端口、转发地址表、交换策略的控制。另外，无论以太网端口使用何种物理介质，CPU都能够监视和控制端口。

对以太网端口的监视着重于链路通断的检测，可以通过检测端口状态改变时引发的中断信号实现。对于使用铜介质的端口，交换芯片内部集成或独立的物理层模块一般都提供链路状态改变中断信号。对于使用光纤介质的端口，除了上述中断信号外，交换芯片还提供SERDES(序列化反序列化)端口链路故障告警中断。在一般的情况下，一条链路的通断改变可以使其两端的交换机端口都产生中断，而中断是否产生，还可以通过CPU对交换芯片配置决定。

对端口的控制，主要涉及开通与阻塞端口。在端口处于工作状态时，通过执行开通或阻塞端口操作能允许或禁止普通以太网数据包经该端口交换转发。端口处于阻塞状态时，通过设置转发地址表和交换策略，可以只转发特殊的以太网数据以达到控制目的。

如图3所述，为具有驻守节点和协同节点功能，并能在故障自愈时实现功能角色切换的以太环网快速自愈的设备，其本质为可网管以太网交换机，包括CPU模块301，CPU模块301通过以太网控制接口303与以太网交换芯片302相连，在CPU模块301内设有以太网控制管理单元3011、以太网数据收发单元3012和链路故障中断处理单元3013，交换芯片302提供n个端口。

以太网控制管理单元3011具有发出开通或阻塞端口指令的功能，指令通过以太网控制接口303的管理信号3031接口发送到交换芯片302；以太网数据收发单元3012用于接收和发送故障消息报文，报文数据通过以太网控制接口303的以太网数据信号3032接口传输；链路故障中断处理单元3013用于接收并处理交换芯片302提供的中断信号。

在协同节点设备中，当交换芯片302检测到所属端口304的链路断开时，产生中断信号，经以太网控制接口303的中断信号3033接口送往CPU模块301的链路故障中断处理单元3013。经中断处理，以太网数据收发单元3012发出故障消息报文，通过以太网数据信号3032接口，进入交换芯片302转发到发信端口，此外，以太网控制管理单元3011发出阻塞监控端口的指令，经管理信号3031接口进入交换芯片302，使交换芯片302所属的监控端口变为阻塞状态。CPU模块301将设备的功能角色切换为驻守节点。

在协同节点设备中，当交换芯片302收到来自监控端口的故障消息报文后，转发到发信端口，并通过以太网数据信号3032接口，将报文数据复制给CPU模块301。CPU模块301通过以太网数据收发单元3012获取故障消息报文后，执行更新转发地址表操作。

在驻守节点设备中，当交换芯片302收到来自备用端口的故障消息报文后，转发到发信端口，并通过以太网数据信号3032接口，将报文数据复制给CPU模块301。CPU模块301通过以太网数据收发单元3012获取故障消息报文后，以太网控制管理单元3011发出开通备用端口的指令，经管理信号3031接口进入交换芯片302，使交换芯片302所属的备用端口变为开通状态。CPU模块301执行更新转发地址表操作，并将设备的功能角色切换为协同节点。

若协同节点及驻守节点使用了图3所示的设备时，本发明提供的一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统的流程如图4A及图4B所示。

图4A为驻守节点的实现流程。当环网中的工作链路发生故障时，故障消息报文会沿着环网传播到驻守节点的备用端口。备用端口收到故障消息报文后，由交换芯片302处理，执行转发并复制到CPU模块301，之后交换芯片302将报文分成两路传送，一路送往发信端口，向下一个节点转发故障消息报文，另一路送往CPU模块301。CPU模块301收到故障消息报文后立即开通备用端口，更新转发地址表。经过上述两步后，网络流量改变转发路径，经开通的端口传播。完成倒换功能后驻守节点转变自身的功能角色，变为协同节点。之后，此节点在发生链路故障或收到故障消息报文时，将作为协同节点执行环网自愈工作流程。

图4B为协同节点提供的实现流程。该流程针对两种情况进行处理。

第一种情况，当环网中与协同节点非直连的链路发生故障时，故障消息报文会沿着环网传播到协同节点的监控端口。这种情况下，协同节点的处理流程与上述驻守节点的处理流程类似，步骤为：监控端口收到故障消息报文，交换芯片将报文转发并复至到CPU模块301，通过发信端口向下一个节点转发故障消息报文，同时CPU模块301收到故障消息报文后立即更新转发地址表。与驻守节点处理流程的区别在于，由于监控端口连接的是工作链路，不需要改变端口的状态；协同节点在处理故障消息报文后不改变自身的功能角色。

第二种情况，当环网中与协同节点直连的链路发生故障时，监控端口会失去载波，因此能立即检测到链路故障，监控端口工作状态即发生了改变。一般物理层器件(PHY)或交换芯片，在所属端口检测到状态发生变化时具有引发中断的功能，使外部中断信号引脚的电平跳转到有效状态，即引发中断。CPU模块301检测到该中断信号引脚的电平处于有效状态时，会立即触发中断处理机制，即检测中断。中断处理时，首先发出故障消息报文，该报文经以太网控制接口进入交换芯片302。交换芯片302向发信端口转发故障消息报文，由发信端口发送故障消息报文到环网中。CPU模块301在发出故障消息报文之后，立即更新转发地址表，并阻塞监控端口。经过上述两步之后，故障的链路被停用，网络流量不再通过此链路，在驻守节点尚未开通备用端口，改变网络流量转发路径前，需要通过该故障链路传送数据包会丢失。由于故障消息报文通过二层转发，传播到所有节点，使各个节点执行自愈操作的时间很短，因此环网工作链路能迅速倒换，使数据包丢失数量很少。该协同节点转变自身的功能角色，变为驻守节点。之后，此节点在发生链路故障或收到故障消息报文时，将作为驻守节点执行环网自愈工作流程。

在本发明的实施例中，驻守节点的备用端口，其直连链路发生故障和故障恢复时，始终保持阻塞状态，所属备用端口的驻守节点保持静默状态，即不发出所述的故障消息报文。

Claims (3)

1.一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统，其特征在于，包括：

一个具有发信端口TP和备用端口BP的驻守节点设备(101)，用于从发信端口TP转发故障消息报文，将备用端口BP阻塞防止二层环路，在收到故障消息报文时开通备用端口BP，在故障恢复时保持备用端口BP处于阻塞状态；

至少一个具有发信端口TP和监控端口MP的协同节点设备(102)，用于从监控端口MP接收故障消息报文，从发信端口TP转发故障消息报文，在检测到监控端口MP所在链路发生故障时阻塞监控端口MP，并由发信端口TP发出故障消息报文；

驻守节点设备(101)和各个协同节点设备(102)之间通过将上述端口相连形成环，驻守节点的发信端口TP连接第一个协同节点的监控端口MP，第一个协同节点的发信端口TP连接下一个协同节点的监控端口MP，以此类推，最后一个协同节点的发信端口TP连接驻守节点的备用端口BP。

2.一种以太网环形组网链路故障快速自愈系统，其特征在于，步骤为：

步骤1、按权利要求1所述的以太网环形组网链路故障快速自愈系统搭建环网；

步骤2、当环网中的第i个协同节点的监控端口MP检测到其直连链路故障时，一方面产生并通过发信端口TP发送故障消息报文，另一方面更新转发地址表，并阻塞监控端口MP，第i个协同节点变为驻守节点；

步骤3、第i+1个协同节点收到故障消息报文后，更新转发地址表并向下一个节点转发故障消息报文，以此类推直至将故障消息报文传送给原驻守节点；

步骤4、当原驻守节点的备用端口BP收到故障消息报文后，一方面通过发信端口TP发送故障消息报文下一个协同节点，使得故障消息报文遍历所有协同节点，另一方面原驻守节点将备用端口BP开通，更新转发地址表，原驻守节点变为协同节点。

3.一种具有权利要求1及权利要求2所述的驻守节点和协同节点功能，并能在故障自愈时实现功能角色切换的以太环网快速自愈的设备，其特征在于，包括CPU模块(301)，CPU模块(301)通过以太网控制接口(303)与以太网交换芯片(302)相连，在CPU模块(301)内设有以太网控制管理单元(3011)、以太网数据收发单元(3012)和链路故障中断处理单元(3013)，交换芯片(302)提供n个端口。

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