CN101771580A - 环状网络冗余检查的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种环状网络冗余检查的处理方法，包括有第一交换器和第二交换器，当第一交换器设定为冗余管理者时，多个第二交换器则为环网成员，且第一交换器会将其中的一连接端口设定为阻断，其余连接端口则设定为导通，该多个第二交换器会定期侦测多个连接端口的连接状态是否发生异常，当异常发生时，则会传输第五控制封包至第一交换器，此时第一交换器便会将连接端口转为导通状态，并传输第四控制封包至多个第二交换器，藉以更新其网络实体地址表，此种通过多个环网成员发送控制封包的方式，可降低因网络流量的满载及单一网络设备过多，造成控制封包遗失的情况，如此便可增加环状网络在冗余检查时的可靠度。

Description

环状网络冗余检查的处理方法

技术领域

本发明为一种环状网络冗余检查的处理方法，尤指通过多个环网成员发送控制封包的方式，来增加环状网络在冗余检查时的可靠度，并可使环状网络快速恢复正常运作。

背景技术

信息科技的日新月异及网际网络技术的蓬勃发展，人与人之间的沟通更显便利，通过网络的技术，可使双方不受区域范围的限制而可达成沟通的效果，如此，网络科技的进步对民众而言不仅增加了更多便利，对企业来说也具有更经济及效率的生产方式，目前网络主要可区分为广域网络(Wide AreaNetwork，WAN)与区域网络(Local Area Network)两大部份，其中区域网络为单一公司、厂区、办公室或校园等较小区域范围内所使用的网络系统，而以太网络(Ethernet)则为目前业界广范使用的区域网络技术，且基于以太网络的传输特性，其网络拓朴(Topology)为星状或树状架构，其中树状架构的缺点为当网络的节点或线路故障时，将造成原本连接一体的网络被分隔成两个子网络，且二者将无法相互通讯。

因此，为解决上述以太网络断线的问题，便需要在以太网络上建立冗余(Redundancy)的技术，目前IEEE便制定了802.1D-生成树协定(Spanning TreeProtocol，STP)，若将生成树协定运用于多台以太网络交换器所建构更大型的网络架构，如网状(Mesh)，该网络架构上的部分连线便会暂时停止收送数据，藉以作为备援路径，让网状连线运作如同树状连线一般，当网络上的节点或路线故障时，生成树协定会重新计算后，再将部分先前暂时停止收送数据的备援路径重新恢复成可收送数据的状态，如此整个网络便可重新连成一体，此生成树协定便使以太网络交换器具备了网络冗余的功能。

然而，目前工业控制设备在实际运作上，并不需要建立较为复杂的网状以太网络架构，而简化成环状网络架构，而因考量网络拓朴为网状架构而建立的生成树协定，因网络断线到恢复的时间需要较长的时间，便不符所需，之后IEEE便新增了802.1W-快速生成树协定(Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP)，此可通过减少连接端口状态(Port State)的转换时间及新增替代端口(Alternate Port)或备援端口(Backup Port)来减少收敛时间。

然而，因工业控制修复时间分秒必争的情况下，原本的生成树协定及快速生成树协定并无法满足工业环境下更快速的网络断线恢复能力的要求，目前解决的方式为将环状网络上的一段连线作为备援的线路，此备援线路只会让特定的控制封包通过，一般的数据封包会被阻断而无法通过，使网络不会形成无限回圈，造成数据风暴，而使用者为可设定其中一台为冗余管理者，并通过其定期发送控制封包至环状网络，当冗余管理者再度接收到此封包时，则表示目前线路正常，如无，则会启动备援线路，然而，此检查方式却容易受到网络流量的满载及网络设备过多，而造成测试封包遗失致使判断错误的情况，此检查方式，会使冗余管理者驱使备援线路不正常的启动，此时，环状网络将形成回路(Looping)而产生广播风暴，其表示封包被目标装置接收后，仍会永无止境地被循环传送，使环状网络形成忙碌状态，而无法继续发送下一个封包，上述，则表示此种测试方式可靠度较低，若此种冗余机制运用于企业进行生产、制造的环状网络时，便具有发生无法传输，机器无法持续工作的风险，如此对企业的利润及长期利益都将受到极大影响。

另一方面，在环状网络的架构下控制封包的传递通常需要靠每一台交换器上的处理器收到前一台交换器送来的控制封包后再转送到下一台，然而，通过交换器上的处理器转送过程会造成一定时间的延迟，当环状网络上的交换器越多，累计的延迟时间将影响到网络断线时恢复的快速与否。

因此，要如何解决上述习用的问题与缺失，即为从事此行业的相关厂商所亟欲研究改善的方向所在。

发明内容

发明人有鉴于上述的问题与缺失，乃搜集相关数据，经由多方评估及考量，并以从事于此行业累积的多年研发经验，设计出此种环状网络冗余检查的处理方法的发明专利。

本发明的主要目的乃在于降低环状网路执行冗余检查时所可能发生的错误机率，而令企业在使用环状网路传输资料或信号时，得以顺利执行。

本发明所采用的方案在于，提供一种环状网络冗余检查的处理方法，所述环状网络中包括有第一交换器和多个第二交换器，且该第一交换器设有二个以上的连接端口，第二交换器也设有二个以上的连接端口，当第一交换器和第二交换器通过竞争选择后，定义该第一交换器为冗余管理者，而第二交换器则为环网成员，并设定第一交换器其中一个连接端口的连线状态为阻断，其余连接端口则为导通。

其为利用多个环网成员定期侦测连接端口的连接状态，并在发生异常时传输第五控制封包至冗余管理者，当冗余管理者接收到该第五控制封包时，则会将阻断的连接端口转变为导通状态，藉以启动备援线路，此种利用多个环网成员传输第五控制封包至冗余管理者的方式可有效增加冗余检查的可靠度，藉以使环状网络在执行传输时，达到顺畅传输及降低错误机率的功效，且环网成员直接通过实体层侦测连接端口的连接状态是否发生异常的方式，可使冗余管理者即时得知目前环网成员连接端口的连接状态，进而快速使环状网络恢复正常运作。

第一交换器和第二交换器还包括有交换模块及微处理器，当第一交换器或第二交换器的交换模块通过连接端口接收到控制封包时，除了传输至本身的微处理器做处理外，并同时会直接传送至下一台第一交换器或第二交换器，此方式可在具有多台交换器的环状网络架构下，仍有较短的冗余机制处理时间，藉以达到快速启动备援的效能。

本发明的有益效果在于，可增加环状网络在冗余检查时的可靠度，并可使环状网络快速恢复正常运作。

附图说明

图1为本发明环状网络冗余检查的处理方法较佳实施例的示意图；

图2为本发明环状网络冗余检查的处理方法的竞争选举流程图；

图3为本发明环状网络冗余检查的处理方法的回圈检查流程图；

图4为本发明环状网络冗余检查的处理方法的连接端口断线示意图；

图5为本发明环状网络冗余检查的处理方法的冗余机制处理流程图；

图6为本发明环状网络冗余检查的处理方法的控制封包传递的方块图。

附图标记说明：

1-第一交换器；11-连接端口；13-交换模块；12-连接端口；14-微处理器；2-第二交换器；21-连接端口；23-交换模块；22-连接端口；24-微处理器。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，现绘图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利于完全了解。

请参阅图1所示，本发明系为一环状网络架构，包括有第一交换器1和多个第二交换器2，其中：

该第一交换器1为设有二个以上的连接端口11、12。

多个第二交换器2和第一交换器1为通过有线或无线方式相连，此有线方式包括双绞线(twisted pair cable)、光纤(fiber optic cable)等，无线方式则为IEEE802.11或802.16等，而第二交换器2至少设有二个以上的连接端口21、22。该第一交换器和第二交换器与电脑装置、工作站或伺服器等相连接。

请参阅图1、图2，可由图中清楚地看出，在稳定状态下，每个环状网络仅会存在有一个冗余管理者(Master)，而可同时具有多个环网成员(Member)，因此便需通过竞争选举(Ring Master Electing)定义第一交换器1和第二交换器2的冗余管理者和环网成员的角色，该竞争选举处理流程如下：

(100)预设环状网络上的第一交换器1和第二交换器2皆为冗余管理者。

(101)定义第一交换器1的连接端口12的连线状态为阻断(Blocking)，且定义该第一交换器1的连接端口11、第二交换器2的连接端口21和连接端口22为导通(Forwarding)。

(102)第一交换器1和第二交换器2通过连接端口11、连接端口12、连接端口21或连接端口22发送第一控制封包(CF1)至环状网络。

(103)第一交换器1和第二交换器2在预设时间内判断是否通过连接端口11、连接端口12、连接端口21或连接端口22接收到第一控制封包，若否，则进行步骤(102)，若是，则进行步骤(104)。

(104)第一交换器1和第二交换器2分别利用第一控制封包与本身的预设值相比较，藉以定义第一交换器1或第二交换器2为冗余管理者或环网成员。

(105)若判断第一交换器1为冗余管理者时，第二交换器2则转换为环网成员，此时，第二交换器2停止发送第一控制封包至环状网络。

(106)第一交换器1定期在预设时间内通过连接端口11或连接端口12发送第一控制封包至环状网络。

(107)第二交换器2判断第一交换器1是否仍为冗余管理者，若是，则进行步骤(105)，若否，则进行步骤(108)。

(108)多个第二交换器2是否转换为冗余管理者并通过连接端口21或连接端口22传输第一控制封包至环状网络，若否，则进行步骤(107)，若是，则进行步骤(109)。

(109)根据第一控制封包及预设值设定其中的一第二交换器2为冗余管理者，并定期在预设时间内通过连接端口21或连接端口22传送第一控制封包至环状网络，其它第二交换器2和第一交换器1则转换为环网成员，并停止发送第一控制封包。

上述，当第二交换器2判断第一交换器1非冗余管理者的方式，如预设时间内并未收到第一交换器传输的第一控制封包，或使用者定义的优先条件改变等情况，此时，各第二交换器2会转换为冗余管理者，而第一控制封包为包括有优先条件(Priority)和网络实体地址(Mac Address)，预设值则包括有交换器本身的优先条件和网络实体地址，当交换器收到第一控制封包时则会与本身的预设值相比较，藉以决定该交换器为冗余管理者或环网成员，另，阻断(Blocking)的连接状态为备援线路(Backup path)，而导通(Forwarding)的连接状态则为正常线路，且阻断的定义为允许预设封包通过的状态，而导通的定义则为允许任意封包通过，另步骤(103)、(106)及(109)的预设时间为设计者自行设定，该预设时间的设定值并非用以限定本发明的申请专利范围。

再请参阅图1、图3，当竞争选举结束后，若设定其中一台第二交换器2为冗余管理者，其余交换器则为环网成员，且维持环状网络的连线状态不变，此时将进行回圈检查，其程序如下：

(200)开始。

(201)环网成员的连接端口11、连接端口12、连接端口21和连接端口22为正常状态。

(202)环网成员定期通过连接端口11、连接端口12、连接端口21和连接端口22传输第二控制封包(CF2)至冗余管理者。

(203)冗余管理者判断是否从连接端口21和连接端口22收到同一台环网成员传输的第二控制封包，若否，则进行步骤(201)，若是，则进行步骤(204)。

(204)冗余管理者判定环状网络形成回圈，将连接端口21设定为导通，连接端口22设定为阻断，并通过连接端口21和连接端口22传输第三控制封包(CF3)至环状网络。

(205)环网成员通过多个连接端口收到第三控制封包，便将阻断状态的连接端口转为导通。

(206)结束。

上述，当第二控制封包为包括有环网成员本身的网络实体地址(Mac address)和发送的连接端口(port)编号。

另请参阅图1、图4和图5，当竞争选举结束后，若设定第一交换器1为冗余管理者，第二交换器2为环网成员，且该第一交换器1的连接端口11的连线状态为导通，连接端口12则为阻断，其冗余检查的处理流程如下：

(300)开始。

(301)第二交换器2通过实体层定期检查连接端口21或连接端口22是否发生异常，若否，则进行步骤(300)，若是，则进行步骤(302)。

(302)第二交换器2将发生异常的连接端口设定为阻断，通过正常的连接端口传输第五控制封包(CF5)至第一交换器。

(303)第一交换器1通过连接端口11或连接端口12收到第五控制封包，便将连接端口12转为导通状态，再从连接端口11和连接端口12传输第四控制封包至环状网络。

(304)第二交换器2通过连接端口21或连接端口22接收到第四控制封包后，便更新网络实体地址表(Mac address table)。

(305)结束。

上述，当第一交换器1接收到第五控制封包时，便会发送第四控制封包至至环状网络上，通知第二交换器2变更路径，并更新其网络实体地址表，且当第二交换器2的连接端口21或连接端口22发生异常时，第二交换器2仍会在异常期间定期检查连接端口的连接状态，当连接端口21或连接端口22恢复正常时，仍会持续使连接端口21或连接端口22维持在阻断的连接状态，此时，第二交换器2便会定期通过连接端口21和连接端口22传输第二控制封包至第一交换器1，若第一交换器1通过连接端口11或连接端口12收到同一台第二交换器2的第二控制封包时，便会将其中一个连接端口设定为阻断，并通过连接端口11或连接端口12发送第四控制封包，藉以更新第二交换器2的网络实体地址表。

另，请参阅图6，该第一交换器1或第二交换器2可传送第一控制封包、第二控制封包、第三控制封包、第四控制封包和第五控制封包，当上述的控制封包被第一交换器1或第二交换器2的连接端口11、12、21、22接收时，连接端口11、12、21、22便会将控制封包送至第一交换器1或第二交换器2的交换模块13、23，之后交换模块13、23便会通过连接端口传输至下一台第一交换器1或第二交换器2，同时会复制控制封包，并将此复制的控制封包传输至第一交换器1或第二交换器2的微处理器14、24，根据本发明较佳实施例的环状网络架构中，所设的交换器可为200～300台，然而，冗余机制的执行为可小于20毫秒(millisecond，ms)，如此便可达到快速启动备援机制，然而上述的较佳实施例并不因此而局限本发明的权利要求范围，其交换器也可具有1～100、100～150、300～500等情况，而冗余机制的执行时间，也可随环状网络架构所设的交换器多寡而增减。

综上所述，本发明上述环状网络冗余检查的处理方法在使用时，具有下列的优点：

(一)本发明利用多个环网成员发送控制封包的方式，可增加冗余检查的可靠度，当环状网络过大或网络流量满载时，冗余管理者可通过多台环网成员所传输的控制封包来判断是否启动备援线路，此方式可降低控制封包遗失的风险，而有效达到环状网络顺利传输的功效。

(二)本发明利用环网成员直接通过实体层侦测连接端口的连接状态，当连接端口11、12、21、22的连接状态发生异常，便可直接通过传输第五控制封包予冗余管理者，使冗余管理者可以较快速度得知目前环网成员连接端口的连接状态，进而加快环状网络回复正常运作的速度。

(三)本发明通过第一交换器1或第二交换器2的交换模块13、23通过连接端口直接传送下一台第一交换器1或第二交换器2的方式，可在具有多台交换器的环状网络架构下，仍可以较短的冗余机制处理时间，藉以达到快速启动备援的效能。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种环状网络冗余检查的处理方法，所述环状网络中包括有第一交换器和多个第二交换器，且该第一交换器设有二个以上的连接端口，第二交换器也设有二个以上的连接端口，其特征在于，当第一交换器和第二交换器通过竞争选择后，定义该第一交换器为冗余管理者，而第二交换器则为环网成员，并设定第一交换器其中一个连接端口的连线状态为阻断，其余连接端口则为导通，其冗余检查机制的处理流程如下：

(A)开始；

(B)第二交换器通过实体层定期检查连接端口是否发生异常，若否，则进行步骤(A)，若是，则进行步骤(C)；

(C)第二交换器将发生异常的连接端口设定为阻断，通过正常的连接端口传输第五控制封包至第一交换器；

(D)第一交换器通过连接端口收到第五控制封包后，便将连接端口转为导通状态，并从连接端口传输第四控制封包至环状网络；

(E)第二交换器通过连接端口接收到第四控制封包后，便更新网络实体地址表；

(F)结束。

2.如权利要求1所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，该冗余管理者的竞争选举方式如下：

(A1)预设环状网络上的第一交换器及第二交换器皆为冗余管理者；

(A2)定义第一交换器的一连接端口的连线状态为阻断，且定义其余连接端口为导通；

(A3)第一交换器和第二交换器通过连接端口发送第一控制封包至环状网络；

(A4)第一交换器和第二交换器在预设时间内判断是否通过连接端口接收到第一控制封包，若否，则进行步骤(A3)，若是，则进行步骤(A5)；

(A5)第一交换器和第二交换器分别利用第一控制封包与本身的预设值相比较，藉以定义第一交换器和第二交换器为冗余管理者或环网成员；

(A6)环网成员停止发送第一控制封包至环状网络；

(A7)冗余管理者定期发送第一控制封包至环状网络；

(A8)环网成员判断冗余管理者是否存在，若是，则进行步骤(A6)，若否，则进行步骤(A9)；

(A9)多个第二交换器是否转换为冗余管理者并通过连接端口传输第一控制封包至环状网络，若否，则进行步骤(A8)，若是，则进行步骤(A10)；

(A10)根据第一控制封包及预设值设定冗余管理者，并定期传送第一控制封包至环状网络，设定其余交换器为环网成员，而其停止发送第一控制封包。

3.如权利要求2所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，步骤(A10)中该第一控制封包及预设值则分别包括有优先条件和网络实体地址。

4.如权利要求2所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，步骤(A8)中该环网成员判断冗余管理者是否存在的方式，包括有在预设时间内并未收到第一交换器所发送的第一控制封包，或使用者定义的优先条件改变。

5.如权利要求2所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，当竞争选举结束后，若设定其中一台的第二交换器为冗余管理者，其余交换器则为环网成员，且维持环状网络的连线状态不变，此时将进行回圈检查，其程序如下：

(a)环网成员的多个连接端口为正常状态；

(b)环网成员定期通过多个连接端口传输第二控制封包至冗余管理者；

(c)冗余管理者判断是否从多个连接端口收到同一台环网成员所传输的第二控制封包，若否，则进行步骤(a)，若是，则进行步骤(d)；

(d)冗余管理者判定环状网络形成回圈，将其中之一的连接端口设定为阻断，其余连接端口则设定为导通，并通过连接端口传输第三控制封包至环状网络；

(e)环网成员通过多个连接端口收到第三控制封包，便将阻断状态的连接端口转为导通。

6.如权利要求1所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，该第一交换器和第二交换器为与电脑装置、工作站或伺服器相连接。

7.如权利要求1所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，该当第二交换器的连接端口发生异常时，第二交换器仍会在异常期间定期检查连接端口的连接状态，若异常连接端口恢复正常时，仍会维持该连接端口的阻断连接状态，此时，第二交换器便会定期通过连接端口传输第二控制封包至第一交换器，若第一交换器通过连接端口收到同一台第二交换器的第二控制封包时，便会将其中一个连接端口设定为阻断，并通过连接端口发送第四控制封包，藉以更新第二交换器的网络实体地址表。

8.如权利要求1所述的环状网络冗余检查的处理方法，其特征在于，该第一交换器和第二交换器为包括有交换模块及微处理器，且第一交换器和第二交换器为通过连接端口相互传输第一控制封包、第二控制封包、第三控制封包、第四控制封包及第五控制封包，当第一交换器或第二交换器接收到上述控制封包时，将上述的控制封包传输至交换模块，且交换模块通过连接端口直接传送至下一台第一交换器或第二交换器，同时复制该控制封包并传输至微处理器处理。

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