CN101931496A - 用于epa网络的冗余通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高可用性自动化网络通信技术、冗余容错技术和自动控制技术，具体涉及一种适用于EPA网络的冗余通信方法，在一个EPA-MRP环网中配置一个EPA交换机作为介质冗余管理器，其余EPA交换机作为介质冗余代理，介质冗余管理器的一个环端口周期性发送测试数据帧，介质冗余代理对测试数据帧进行转发，介质冗余管理器的另一个环端口用于监听测试数据帧；若测试数据帧在配置时间内回到介质冗余管理器，则将介质冗余管理器的两个环端口分别设置为转发状态和堵塞状态；若测试数据帧未在配置时间回到介质冗余管理器，则介质冗余管理器将两个环端口均设置为转发状态，刷新地址转发表，启动备用链路，并发送拓扑改变帧通知介质冗余代理刷新地址转发表。

Description

用于EPA网络的冗余通信方法

技术领域

本发明涉及高可用性自动化网络通信技术、冗余容错技术和自动控制技术，具体涉及一种适用于EPA网络的冗余通信方法。

背景技术

工业控制网络EPA(Ethernet for Plant Automation)是基于工业以太网的实时通信控制系统，它利用ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15等协议定义，将分布在现场的若干个设备、小系统以及控制/监视设备连接起来，使所有设备一起运作，共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制。随着EPA标准的推广，EPA网络也日趋成熟，越来越多的EPA相关产品(如EPA交换机、EPA现场设备等)开始进入实际的工业现场应用领域。

由于EPA网络自身的特点，对EPA网络中的现场设备间的数据传输、报文确定性调度、安全保障等方面有着特殊的要求，因此，要求EPA核心骨干网络应具备工业级容错能力以及网络故障恢复的能力，能够为工业现场提供线速的透明局域网服务，在实际应用中，由于工业现场难以预测的恶劣复杂环境，对于如何保证EPA现场设备之间，EPA现场设备层与EPA监控层或管理层之间通信的高可靠性、实时性、安全性的研究还不成熟，处于初级阶段。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出了一种用于EPA网络的冗余通信方法，能提高EPA网络的信息传输可靠性。

本发明的目的是这样实现的：用于EPA网络的冗余通信方法，将EPA网络中具有环型拓扑结构的子网配置为一个冗余通信管理域，每个冗余通信管理域中配置一个EPA交换机作为介质冗余管理器，其余所有EPA交换机作为介质冗余代理，所述介质冗余管理器和介质冗余代理均分别具有两个环端口；所述介质冗余管理器和介质冗余代理执行如下步骤：

介质冗余管理器的一个环端口周期性发送测试数据帧，介质冗余代理对测试数据帧进行转发，介质冗余管理器的另一个环端口用于监听测试数据帧；

若测试数据帧在配置时间内回到介质冗余管理器，则将介质冗余管理器的两个环端口分别设置为转发状态和堵塞状态；

若测试数据帧未在配置时间回到介质冗余管理器，则介质冗余管理器将两个环端口均设置为转发状态，刷新地址转发表，启动备用链路，并发送拓扑改变帧通知介质冗余代理刷新地址转发表。

进一步，还包括如下步骤：

介质冗余代理探测到环端口链路故障或环端口连接恢复时，通过其两个环端口发送链路改变帧来通知这个改变，其余介质冗余代理转发接收到的链路改变帧，并从自身一个环端口转发到另一个环端口，直至介质冗余管理器收到此帧并进行相应的处理；

进一步，还包括如下步骤：

EPA交换机被配置为介质冗余管理器但未扮演介质冗余管理器角色时，发送一个管理器角色失败的诊断事件信号，同时暂停发送其它介质冗余诊断事件报告。

进一步，还包括如下步骤：

介质冗余管理器探测到另一个在线激活的介质冗余管理器时，发送存在多个管理器的事件信号；

还包括如下步骤：

故障恢复后，介质冗余管理器重新接收到测试数据帧，则刷新地址转发表，并发送拓扑改变帧给介质冗余代理，介质冗余代理根据拓扑改变帧刷新自身的地址转发表，恢复到出现故障以前的拓扑结构。

本发明的用于EPA网络的冗余通信方法，能提高EPA网络中信息传递的可靠性，在EPA网络链路出现单点故障时，实现链路的快速切换与恢复。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了MRP协议实体图；

图2示出了基于MRP协议的EPA交换机软件体系结构图；

图3示出了基于EPA交换机的介质冗余协议MRP的网络拓扑结构图；

图4示出了EPA-MRP域状态转换图；

图5示出了EPA交换机MRM处理MRP协议数据流程图；

图6示出了EPA交换机MRC处理MRP协议数据流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提出了一种适用于EPA交换机的介质冗余协议MRP(MediaRedundancy Protocol)来保证EPA核心通信骨干网高可靠正常工作并提高其信息传递的高可靠性，用于在EPA网络链路出现单点故障时，实现EPA-MRP环网链路的快速切换与恢复。MRP协议是基于ISO/IEC 8802-3(IEEE 802.3)和IEEE802.1D等桥接协议之上的一种网络介质冗余协议；是一种基于物理环网拓扑结构的自恢复协议。当EPA交换机的连接链路或交换机自身出现故障时，MRP协议在工业级宽限时间内，保证EPA核心骨干网络数据传输的畅通和故障恢复，从而确保了EPA核心骨干网络的高可靠性通信质量。

参见图1，MRP协议实体模块主要由MRP管理服务实体以及MRP协议实体模块组成，其中MRP协议实体模块又分为介质冗余管理器MRM(MediaRedundancy Manager)实体、介质冗余代理MRC(Media Redundancy Clients)实体。MRP协议处在ISO/OSI模型中的数据链路层，其模块之间的关系如图1所示。

MRP管理服务实体的作用是对MRM、MRC模块进行有效的组织与管理，保存了启动MRM服务实体、停止MRM服务实体、启动MRC服务实体以及停止MRC服务实体等，并为高层应用实体提供接口，完成EPA交换机的高可靠性介质冗余功能。

MRM协议实体模块说明指定EPA交换机的管理角色和代理角色，将EPA网络中具有环型拓扑结构的子网配置为一个冗余通信管理域，每个冗余通信管理域中配置一个EPA交换机作为介质冗余管理器，该冗余通信管理域中其余所有EPA交换机作为介质冗余代理；介质冗余管理器的作用是观察和控制物理环形拓扑网络结构来诊断网络故障。通过介质冗余管理器的主端口周期性地向EPA-MRR环网发送MRP_Test测试数据帧，再在介质冗余管理器的另一个环端口上进行接收，根据接收返回帧对EPA-MRP环网进行诊断管理；介质冗余代理的作用是处理与转发MRP协议帧，通过在其主端口上接收、处理和转发MRP协议帧到其另一环端口，根据链路变化情况与MRM交换机进行通信。

参见图2，基于MRP协议的EPA交换机软件体系结构采用分层、模块化的设计思想，是基于EPA交换机的具有介质冗余协议MRP的高可用性、安全性与实时性的现场核心通信骨干网络交换机。

硬件设备驱动层由μC/OS_II实时嵌入式操作系统、板级支持软件包(BSP)和交换硬件支持软件包(SSP)组成，主要作用是将上层软件和硬件系统进行连接，把上层软件的路由更新、管理及配置命令转化为硬件系统所能识别的格式，从而达到更新其内部数据库FDB，控制及管理硬件交换系统的目的；同时设备驱动程序把底层硬件收到的MRP控制报文、EPA网络拓扑变化协议数据单元、EPA应用实体报文以及EPA管理实体报文的各种信息传递给上层软件处理；对上层协议栈创建的任务以及设备驱动进行实时性支持以及调度管理。

交换机配置管理模块主要功能是针对EPA交换机硬件平台以及二层应用协议实体MRP进行管理与配置，另外还包括生成树协议(IEEE 802.1D)、GARP/GMRP/GVRP(IEEE 802.1D，IEEE 802.1Q)、链路聚合(IEEE 802.3ad)、流量控制(IEEE 802.3x)以及交换芯片的MAC地址FDB、交换机端口速率使能等。

交换机配置管理模块的作用是用户根据自己的需要，配置使用EPA交换机的功能。用户通过上位机屏蔽或者打开EPA交换机的某项功能，完成EPA网络的数据通信。

TCP/IP协议栈实现了TCP(UDP)/IP协议，为上层EPA安全通信协议应用程序提供良好的接口；同时实现802.1D、802.1Q等协议，完善与配置EPA交换机的各种管理功能。

EPA协议栈模块和EPA网络安全与功能安全模块主要包括EPA确定性调度模块、EPA套接字映射实体模块、EPA管理实体模块、EPA应用实体模块、EPA管理信息库模块、EPA安全实体模块以及时间同步等模块，完善的构建了基于EPA协议的高可用性、安全性以及实时性的现场设备层交换机的整个软件系统架构。整个方案的软件系统结构参考框图如图2所示。

参见图3，在物理环形网络即EPA-MRP环型拓扑网络中，EPA交换机扮演两种功能角色，一个是MRM(Media Redundancy Manager)，一个是MRC(MediaRedundancy Clients)。前者的功能是：在环网结构中，起到管理MRC的作用，检测和控制环网的拓扑变化。当环路中的级联链路之间或EPA交换机出现单节点网络故障的时候，MRM对其做出相应的动作。后者的功能是：对来自MRM的已配置好的相关数据帧做出响应，并且在其环端口检测和发出链路变化信号，可以理解为MRM的客户代理端。

在EPA-MRP环型拓扑网络中，指定一个EPA交换机的功能为介质冗余管理器MRM(Media Redundancy Manager)，其他的所有EPA交换机的功能均为介质冗余代理MRC(Media Redundancy Clients)。MRM和MRC各拥有两个环端口，分别为主端口(Primary Port)和次端口(Second Port)。MRM和MRC均可探测在环端口链路的故障或恢复。环端口应该具有以下三种端口状态之一：

禁止(DISABLED)：所有的帧丢掉。

堵塞(BLOCKED)：除了以下帧外的其它帧丢掉：从MRM发送的MRP拓扑改变帧MRP_TopologyChange和MRP测试帧MRP_Test；MRC发送的MRP链路改变帧MRP_LinkChange；来自IEEE802.1D中定义的，通过的端口设置为阻塞状态的其他协议数据帧；带有目的地址的组地址配置帧。

转发(FORWARDING)：所有的数据帧将按照IEEE 802.1D中的规范发送。

MRM通过EPA-MRP环型网络，在一个环端口处周期性地发送测试数据帧MRP_Test。这些测试数据帧具有一种特殊的MAC地址(IEC62439中分配给MRP的组播地址为01-15-4E-00-00-xx)，在环形网络中只有MRC能转发这些数据帧。如果MRM发出的MRP_Test测试数据帧最终回到该MRM，此时的EPA-MRP环形网络被视为闭合(CLOSED)状态，否则为开路(OPEN)状态。在环路闭合状态的时候，MRM的主端口(Primary Port)状态被设置为转发状态，其次端口(Second Port)被设置为堵塞(BLOCKED)状态；开路(OPEN)状态的时候，MRM的主端口及次端口均设置为转发(FORWARDING)状态。

在EPA-MRP环网中，每个EPA交换机包括MRM和MRC都是带着常规数据启动，并且创建自身所带的常规的地址转发表(FDB)以便描述实际的链路拓扑结构。

图4所示为EPA-MRP域状态转换图。一个EPA-MRP环网代表一个EPA-MRP域。默认情况下，所有的MRM和MRC都属于该默认域。当一个MRM或者MRC为多环网成员时，一个环节点将会严格地分配两个唯一的环端口在每个EPA-MRP域里。EPA交换机上电后，整个EPA-MRP域进行域初始化，MRM和MRC进行初始化配置。MRM周期性的发送EPA-MRP环网测试数据帧MRP_Test。当MRM接收到了自己发送的MRP_Test数据帧后，EPA-MRP环网处于正常状态Closed状态。当EPA-MRP环网处于Closed状态时，MRM也会周期性发送MRP_Test帧，以保证环网处于正常工作状态。当MRM在规定的时间内收不到自己发出的MRP_Test帧，或者底层硬件链接断开后造成网络断开的消息被通报给MRM，或者当MRC检查出故障后，以消息形式通报给MRM的时候，EPA-MRP环网就进入网络断开状态Open状态。此时，MRM改变次端口由原来的Blocked转为Forwarding状态，同时刷新自身转发表FDB，并发送拓扑改变帧MRP_TopologyChange通知MRC及时更新它们的FDB表，启动冗余链路。当EPA-MRP环网恢复正常，也就是故障恢复后，MRM又能接收到自己发出的EPA_Test帧后，EPA-MRP环网络进入正常的Closed状态，MRM再次刷新自身转发表FDB，并发送拓扑改变帧MRP_TopologyChange通知MRC及时更新它们的FDB表，EPA-MRP环网拓扑结构恢复到出现故障以前的拓扑结构。

在一个EPA-MRP域里面，每个MRM将会执行下面的诊断事件处理：

1)如果一个设备被配置成MRM，但是没有扮演管理器的角色，它将会发送一个管理器角色失败MANAGER_ROLE_FAIL的诊断事件信号，同时暂停发送其他介质冗余诊断事件报告。

2)如果一个设备已扮演了管理器的角色，同时这个设备探测到另外一个在线激活的MRM，它将发送多个管理器MULTIPLE_MANAGERS的事件信号。此事件将与环网断开RING_OPEN事件并发。

3)如果一个设备扮演管理器的角色，同时检查到EPA-MRP环网断开，它将发送环网断开事件的信号。

MRC转发接收到的MRP测试帧MRP_Test，并且从一个环端口到另外一个环端口，当其探测到环端口链路故障或环端口连接恢复时，通过其两个环端口随机发送链路改变帧MRP_LinkChange来通知这个改变，其余MRC将会转发接收到链路MRP_LinkChange，并从自身一个环端口转发到另一个环端口。

参见图5，MRM交换机一上电，首先完成交换机的环端口的状态以及一些必要信息的初始化，便进入到监听主端口处链路的状态，若主端口处链路为link_down状态，则启动冗余链路，继续进行监听链路状态；若主端口处链路为link_down状态，从环端口处链路为link_up状态，则将主从环端口进行功能互换；若主端口处链路为link_up状态，则将主端口置为Forwarding状态，发送链路测试帧MRP_TEST，并在从环端口处监听该帧，若在规定的时间内该帧到达从环端口，说明主链路正常，冗余链路保持非活动状态；否则，启动冗余备份链路。

参见图6，MRC交换机一上电，首先完成交换机的环端口的状态以及一些必要信息的初始化，便进入到监听主端口处链路的状态，若主端口处链路为link_up状态，设置主端口为Forwarding状态，并监听从环端口处的链路状态：若从环端口处的链路状态为link_up状态，则启动up定时器、停止Down定时器，并在主端口处发送link_up帧，若从环端口接收到该link_up帧，则设置其为Forwarding状态，up定时器停止，交换机进入数据交换正常状态；若从环端口处的链路为link_down状态，则启动Down定时器、停止up定时器，在主环端口处链路发送link_down状态，向介质冗余管理器报告链路状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.用于EPA网络的冗余通信方法，其特征在于：将具有环型拓扑结构的EPA网络配置为一个冗余通信管理域，每个冗余通信管理域中配置一个EPA交换机作为介质冗余管理器，其余所有EPA交换机作为介质冗余代理，所述介质冗余管理器和介质冗余代理均分别具有两个环端口；所述介质冗余管理器和介质冗余代理执行如下步骤：

介质冗余管理器的一个环端口周期性发送测试数据帧，介质冗余代理对测试数据帧进行转发，介质冗余管理器的另一个环端口用于监听测试数据帧；

若测试数据帧在配置时间内回到介质冗余管理器，则将介质冗余管理器的两个环端口分别设置为转发状态和堵塞状态；

若测试数据帧未在配置时间回到介质冗余管理器，则介质冗余管理器将两个环端口均设置为转发状态，刷新地址转发表，启动备用链路，并发送拓扑改变帧通知介质冗余代理刷新地址转发表。

2.如权利要求1所述的用于EPA网络的冗余通信方法，其特征在于：还包括如下步骤：

介质冗余代理探测到环端口链路故障或环端口连接恢复时，通过其两个环端口发送链路改变帧来通知这个改变，其余介质冗余代理转发接收到的链路改变帧，并从自身一个环端口转发到另一个环端口，直至介质冗余管理器收到此帧并进行相应的处理。

3.如权利要求1所述的用于EPA网络的冗余通信方法，其特征在于：还包括如下步骤：

EPA交换机被配置为介质冗余管理器但未扮演介质冗余管理器角色时，发送一个管理器角色失败的诊断事件信号，同时暂停发送其它介质冗余诊断事件报告。

4.如权利要求1所述的用于EPA网络的冗余通信方法，其特征在于：还包括如下步骤：

介质冗余管理器探测到另一个在线激活的介质冗余管理器时，发送存在多个管理器的事件信号。

5.如权利要求1所述的用于EPA网络的冗余通信方法，其特征在于：还包括如下步骤：

故障恢复后，介质冗余管理器重新接收到测试数据帧，则刷新地址转发表，并发送拓扑改变帧给介质冗余代理，介质冗余代理根据拓扑改变帧刷新自身的地址转发表，恢复到出现故障以前的拓扑结构。

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