CN101984610A - 容错网络交换机 - Google Patents

Abstract

容错网络交换机包含两个以上的网络交换单元和一个高可靠(无单点故障)的互联单元，在正常工作状态下两个网络交换单元都处理网络数据包，若其中一个网络交换单元发生故障，则另一网络交换单元将承担所有工作以确保工作不间断，代价是可能会降低一些性能。发生故障的网络交换单元可以被更换且更换后网络可恢复至故障前的状态，更换故障网络交换单元不会影响另一个工作中的网络交换单元或网络连接。

Description

容错网络交换机

技术领域

本发明涉及一类网络交换设备，特别是指一种采用以太网，光纤，异步传输模式以及其它网络技术的可容错的网络交换机。

背景技术

众所周知，网络交换机可以为网络终端例如计算机，打印机，服务器等两两之间相互通信提供独立的信道，提高网络的通信能力，这种方式要优于网络中所有设备接收所有数据包来进行通信。

网络交换机通过交换技术使网络上的设备可以采用独立的信道相互通信，相对于采用非交换技术、工作在OSI物理层的网络设备如集线器HUB，交换技术可提供更高的网络通信的带宽。

网络交换机一般提供固定的端口数量(4～64个)，每个端口可连接一个独立的网段。由于每个网段都共享同一个接入，因而每个网段中的设备越少就越有利于实际使用。而当有更多的设备要接入网络中时，一般就需要接入多个交换机。通常情况下，为满足更多数量的设备接入，采用交换机集联的方式要比只增加交换机端口的方式更能提高网络的性能。

当采用上述交换机集联的方式时，单台网络交换机将成为网络故障点。举个例子，网络中的一台交换机出现故障，那么在它上面连接的网络终端将无法接入网络，除非更换此故障交换机。网络交换机一般都包含装有逻辑电路的印刷电路板、电源等板卡组件，当中每一个组件的故障都会导致交换机停止工作。这些所谓的网络中的单点故障会影响网络传输，造成极大的损失，因此提高交换机的可靠性变得尤其重要。

目前许多可以提高可靠性的技术已经应用到网络交换机中，提供关键部件冗余是其中一种常用的方法，用于克服一些单点故障引起的问题。例如网络交换机提供双路电源、冷却系统、环回链路等冗余技术，当正在工作的部件出现故障时，备用部件将自动启动确保交换机的工作不间断。当然这种方式也存在一个显著的缺点，即设备为冗余部件增加了成本，但并未提高性能，例如冗余电源，会增加第二块几乎用不到的电源模块以及在故障电源和备用电源之间切换的电路两方面的成本，而要交换机在不间断工作的前提下替换故障的部件也增加了成本和操作上的复杂性。此类冗余由于代价太高，除了在为确保可靠性而不计成本的场合以外都不建议采用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种容错的网络交换机以克服网络中的单点故障，本发明是一种提高网络设备可靠性的高性价比解决方案。

本发明的特定目标是提供一种容错网络交换机，包含两个以上的交换单元和一个高可靠(无单点故障)的互联单元，在正常工作状态下两个交换单元都处理网络数据包，若其中一个交换单元发生故障，则另一交换单元将承担所有工作以确保工作不间断，代价是可能会降低一些性能。发生故障的交换单元可以被更换且更换后网络可恢复原状，更换不会影响另一个工作中的交换单元或网络连接。

容错交换机的一个重要优势是用一个适度的价格提供经济型的不间断网络容错服务方案，无论小型还是大型的网络都可以采用这种方案。与常规的容错方式不同的是，容错交换机所有的交换机组件在正常情况下都是工作的。

本发明的一个特征是一台容错交换机包含了两个或两个以上的交换单元，每个交换单元包含一定数量的网络接口以及一个至少提供2个接口，用来连接交换单元的集线器，每个交换单元通过这个集线器上的端口连接到互联单元。

本发明的一个特征是一台容错交换机包含一个带有多网口的第一交换控制器，一个与第一交换控制器的端口相连的第一集线器和一组与第一集线器互联的独立网络接口，这些网络接口有两种状态：正常状态下一个网络接口与第一集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第一集线器互联。一台容错交换机还包括一个带有多网口的第二交换控制器，一个与第二交换控制器的端口相连的第二集线器和一组与第二集线器互联的独立网络接口，这些网络接口有两种状态：正常状态下一个网络接口与第二集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第二集线器互联。此外一台容错交换机还包括一组网络连接器，每个连接器与网络接口平行连接，把每一组主、第二集线器联结起来。

本发明的一个特征是每一个交换单元包含一个故障监测器用来监控交换单元的工作状况，当本交换单元发生故障时立刻将故障状态转告另一个交换单元的故障监测器。

本发明的一个特征是一个交换单元的故障监测器所发送的状态信息可以用来更改本交换单元的独立连接端口的状态。

本发明的一个特征是可以通过在容错交换机中加入第三交换控制器来实现更高的冗余，可包含一个带有多网口的第三交换控制器，一个与第三交换控制器的端口相连的第三集线器和一组与第三集线器互联的独立网络接口，这些网络接口有两种状态：正常状态下一个网络接口与第三集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第三集线器互联。

本发明的一个特征是用来连接一个多口交换单元和另一个多口交换单元的互联单元包括一个连接第一交换单元的第一多端口连接器，一个连接第二交换单元的第二多端口连接器，还包括一组单端口连接器，每个单端口连接器与第一、第二多端口连接器平行。互联单元不包括任何发生故障时会影响到一个以上网络端口的单一部件。

本发明的一个特征是互联单元包括一组隔离开关，每一个隔离开关连接着互联单元的其中一个多端口连接器和第一、第二交换单元的网络接口，用于隔离互联单元的多端口连接器和第一、第二交换单元的网络接口。隔离开关可以配置使得任意一个隔离开关出现故障时不会影响其他隔离开关。

本发明的一个特征是一个网络交换单元包括一个具有多转换口的交换控制器，一个双状态集线器，此集线器连接到交换控制器的其中一个转换口并具备一组网络接口，集线器有两个状态，正常状态下集线器连接到交换控制器的其中一个转换口，其他状态下集线器连接到交换控制器的其中两个或多个转换口。

本发明的一个特征是网络交换单元包括一个故障监测器用于网络交换单元发生故障时发送故障信号。

本发明的一个特征是网络交换单元包括一个控制信号输入用于接收另一个网络交换单元发送的故障信号。

本发明的一个特征是每个网络交换单元的双状态集线器均与本单元的故障监测器连接。

本发明的一个特征是集线器具备第三种状态即没有网络端口连接到转换端口的状态。

本发明中的一个特征是两个同样的交换单元各自探测内部的问题并把探测结果传输到另一个交换单元。

本发明的一个特征是采取更换交换单元时不会对线缆产生影响的方式把两个或更多的交换单元和一个接口单元整合在一起。

本发明涉及的容错交换机中的容错规定为单点故障。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

在图1中，一个容错交换系统包括两个网络交换单元SU1和SU2以及把他们彼此互联在一起的互联单元。网络交换单元SU1包括一个交换控制器50，交换控制器50包括必备的软硬件用于检测发送的网络包，交换控制器通过解码网络包中的地址信息来判断网络包的来源端口。网络交换单元SU1还包括一个故障监测器70，它连在交换控制器50上，当电源，风扇和其他关键部件失效都将会导致网络交换单元SU1故障，而当它发现网络交换单元SU1的任何部件发生故障时会产生一个故障告警信号并将这个信号发送给另一个网络交换单元SU2，或是反馈到自身内部。故障监测器70用软件和硬件共同配合来实现。为了维护的目的每个网络交换单元也提供手动机制去模拟一个故障的发生。网络交换单元SU1还包括集线器61、62、63，它们分别连在交换控制器50的端口1A、2A、3A上，每一个集线器包含3个双向端口，其中一个端口连到交换控制器50的端口1A、2A、3A，其他两个端口分别是主IP端口和从IP端口。集线器作为一个共享媒介使3个端口看起来是连在一起的。图1所示框图中有三个集线器，但实际应用中一个容错系统的集线器数量应该在4到64之间。

网络交换单元SU2其实和网络交换单元SU1是一样的，它包括交换控制器80。交换控制器80包含有端口4A、5A、6A，集线器91、92、93以及故障监测器100。

互联单元IU包括被动的互联电路和隔离开关20～31。隔离开关采用类似继电器或半导体开关的设计以确保单点故障不会影响到其他的网络交换单元甚至整个网络。隔离开关20～31在本发明的某些实现中可以看作是交换单元SU1和SU2的一部分，可以理解为隔离开关是作为交换单元或是作为互联单元的组成部分都不影响本发明的实现。出于对线路长度和网络连接速度的考虑，可以适宜的把隔离开关放置在互联单元或是网络交换单元之内。

网口20N、21N、22N、23N、24N、25N、26N、27N、28N、29N、30N、31N作为集线器61、62、63、91、92、93和隔离开关20～31的输入输出端口，由于采用电缆内部桥接到互联单元的方式，所以不会产生单点故障。

在互联单元IU内，集线器61、62、63的主端口1P、2P、3P通过隔离开关20、21、22连接到网络连接器10，11，12；集线器61、62、63的从端口1S、2S、3S连接到网络连接器的13，14，15。同样，互联单元IU内的集线器91、92、93的主端口4P、5P、6P连接到网络连接器13、14、15；集线器91、92、93的从端口4S、5S、6S连接到网络连接器10，11，12。

图2显示本发明的第二种具体实现。图2和图1基本相同，区别在于网络连接器分别位于它们相应的交换单元SU1和SU2内。

图3显示本发明的第三种的具体实现，在图中3个交换单元SU1、SU2、SU3共享一个互联单元IU。

交换单元SU3在结构上和第1个实现中的交换单元SU1，SU2相似。网络交换单元SU3包含一个交换控制器110，三个集线器121、122、123，网络端口32N、33N、34N、35N、36N、37N和一个故障监测器130。

第3种实现中的互联单元IU被扩展了，它包括3个额外的网络连接器16、17、18和一组新的隔离开关32～37，互联单元IU在每个网络交换单元的故障监测器之间提供一种菊花链配置方式的互联。在一个有3个或更多的网络交换单元的互联单元中每个故障监测器和另外两个故障监测器相连。

在图3的具体实现中使用了一种环型配置，当任一个网络交换单元发生故障时都可通过另一个网络交换单元的网络连接器连接到这个网络交换单元，如图3所示。这种对应的组合是SU1-SU2，SU2-SU3，SU3-SU1.在这种组合中的第一个网络交换单元SU1发生故障时，网络服务会由第二个网络交换单元SU2来承担。同理，如果网络交换单元SU2失效，SU3会替代它继续提供网络服务。

图4显示了本发明的第四种具体实现，它是第3种具体实现的变种。在图4中，隔离开关20～37合并到其对应的网络交换单元SU1，SU2，SU3中。

图5显示了互联单元150的前视图，包含双向网络连接器152。

图6显示的是互联单元160的后视图，提供两个多端口连接器162分别连接到两个独立的网络交换单元。

网络互联单元的这种设计是为了实现容错交换机内任意一个交换单元被移走或是被替换时，不会影响其他的交换单元工作，这样可以使一个网络在其中一个交换机发生故障时仍可以继续提供网络服务。当其中的一个交换机发生故障时，这个失效的交换机可以被移走和替换。在故障期间，另一个交换机会承担起那个有故障的交换机所提供的服务。而当有故障的交换机修复后，系统将恢复正常的运行。

图7显示的是网络交换单元170的前面板视图。相应的连接器172嵌在互联单元的接收面板上，面板174。

图8显示的是一个机箱200，可以放置4个网络交换单元210。互联单元的面板220是机架装配的一部分，用于连接两个网络交换单元210。托板234是单个网络交换单元210的放置平面，此外还提供了机箱前面板232。支架230提供对机箱200的支撑作用。

容错网络交换的处理过程如下。

当没有故障发生时，所有的网络交换单元正常工作，每个交换单元的集线器上的主端口的隔离开关处于闭合状态，主端口正常工作，而从端口的隔离开关在逻辑上是开启的，则从端口出于断开状态，每个交换单元独立运行且分别处理各自的网络包的传输，一个不间断的周期性的通信就建立起来了。交换单元之间的参数配置是通过它们各自的故障监测器完成的，每个网络交换单元不停地更新它们的故障状态，并通过接收周期性信号的方式更新另一个交换单元的故障状态。一旦一个故障被其中一个网络交换单元监测到，例如网络交换单元SU2的故障监测器发出信号FS，则SU2将被置于故障状态，此时它的主端口的隔离开关和从端口的隔离开关在逻辑上开启，网络交换单元SU2的主、从集线器的端口将从对应的网口上断开，与此同时，SU2发出信号使得SU1的主端口的隔离开关和从端口的隔离开关在逻辑上关闭。故障发生后重新配置的结果是网口10-12连到SU1的第一集线器端口1P、2P、3P，网口13-15连到SU1的从集线器端口1S、2S、3S。通过建立和故障状态的配置，SU1可以处理网口13-15，和10-12上的网络包。

如果SU2发生故障时无法报告故障信号给SU1，则表明随着周期性信号的消失，SU1要从正常工作状态切换到应急状态。

当故障发生时，有问题的交换单元可以移走和被替换且不影响网络的正常传输，而当有问题的交换单元被替换后，所有的交换单元将恢复正常工作。

Claims (9)

1.容错网络交换机其特征在于包含一个多交换端口的第一交换单元；一个可检测到第一交换单元错误并可向其报告的第一故障监测器；一个与交换端口相连的第一集线器；一组与第一集线器互联的、可接收第一故障监测器所发出故障信息的独立网络接口，这些网络接口根据所接收故障信息呈现两种状态：正常状态下一个网络接口与第一集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第一集线器互联。一台容错交换机还包括一个多交换端口的第二交换单元；一个可检测到第二交换单元错误并可向其报告的第二故障监测器；一个与交换端口相连的第二集线器；一组与第二集线器互联的、可接收第二故障监测器所发出故障信息的独立网络接口，这些网络接口根据所接收故障信息呈现两种状态：正常状态下一个网络接口与第二集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第二集线器互联。一台容错交换机还包括一组网络连接器，每个连接器与网络接口平行连接，把每一组第一、第二集线器联结起来。多个可独立连接的网络端口、网络连接器以及两者的连接部分作为一个统一的连接单元。

2.权利要求1所述的容错网络交换机其进一步的特征是可包含一个多交换端口的第三交换单元；一个可检测到第三交换单元错误并可向其报告的第三故障监测器；一个与交换端口相连的第三集线器；一组与第三集线器互联的、可接收第三故障监测器所发出故障信息的独立网络接口，这些网络接口根据所接收故障信息呈现两种状态：正常状态下一个网络接口与第三集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第三集线器互联。多个可独立连接的网络端口、网络连接器以及两者的连接部分作为一个统一的连接单元。每个交换单元所相对应的故障监测器、独立网络接口和集线器封装在一个单一的单元里。

3.权利要求1所述的容错网络交换机其特征在于第一故障监测器连接到第一组独立网络接口的控制输入端；同时第一故障监测器连接到第二组独立网络接口的控制输入端；

4.权利要求1所述的容错网络交换机其特征在于其网络端口可以采用以下的几种常用的网络通信方式中的一种：以太网、光纤通道，令牌环网或者是异步传输模式。

5.权利要求1所述的容错网络交换机其特征在于根据网络接口所接收故障信息一般呈现两种状态：正常状态下一个网络接口与第三集线器互联，另一种状态下有两个或多个接口与第三集线器互联；除开上述两种状态之外特殊情况下还有第三种状态即失效的状态，此状态下没有网络端口连接到转换端口。

6.交换单元包括一个具有多转换口的交换控制器，一个双状态集线器，此集线器连接到交换控制器的其中一个转换口并具备一组网络接口，集线器有两个状态，正常状态下集线器连接到交换控制器的其中一个转换口，其他状态下集线器连接到交换控制器的其中两个或多个转换口；包括一个用于网络交换单元发生故障时发送故障信号的故障监测器；包括一个故障信号的控制输入，故障信号的控制输入连接到双状态集线器并通过接收另一个网络交换单元的故障信息来改变双状态集线器的状态。

7.权利要求6所述的交换单元其特征在于开关、交换端口、集线器、故障监测器和独立网络接口组合成一个统一的交换单元。

8.互联单元用于连接网络交换单元和网络接口，其特征在于包含一个与第一交换单元相连的第一多端口连接器、一个可检测到第一交换单元错误并可向其报告的第一故障监测器、一个与第二交换单元相连的第二多端口连接器、一个可检测到第二交换单元错误并可向其报告的第二故障监测器，还包括一组单端口网络连接器，每个单端口连接器与网络接口平行连接，用于联结第一、第二多端口连接器。每个网络交换单元包括一个控制信号输入用于接收另一个网络交换单元发送的故障信号。互联单元不包括任何发生故障时会影响到一个以上网络端口的单一部件。互联单元还包含一组隔离开关，隔离开关采用继电器模式，每一个隔离开关通过多端口连接器的一个端口连接到第一交换单元和第二交换单元的网络接口上，把网络接口与第一多端口连接器和第二多端口连接器隔离开。隔离开关可以通过配置实现单个隔离开关的故障不会影响到其它的隔离开关。对隔离开关进行操作的电源来自第一网络交换单元和第二网络交换单元。第一交换单元或第二交换单元可以从互联单元上分离并更换，更换时不会干扰另一个交换单元及其网络连接。

9.权利要求8所述的互联单元，其特征在于互连单元是一个单一联合单元，包括一个可检测到第一交换单元错误并可向其报告的第一故障监测器，一个可检测到第二交换单元错误并可向其报告的第二故障监测器，一个位于互联单元第一面板的背面、用于连接互联单元和第一交换单元的第一多端口连接器，一个位于互联单元第一面板的背面、用于连接互联单元和第二交换单元的第二多端口连接器，还包括一组单端口网络连接器，每个单端口连接器与网络接口平行连接，用于联结第一、第二多端口连接器。包括支撑连接第一网络交换单元和第二网络交换单元的支座。

Images