CN102195746A - 循环检测方法及应用其的网络装置 - Google Patents

Abstract

一种网络装置包括：一地址变动检测单元，检测该网络装置所接收的一第一封包中的一地址字段是否发生变动；一循环检测封包产生单元，当该地址变动检测单元检测到该地址字段变动时，产生一循环检测封包；一封包分析单元，分析该网络装置所接收的一第二封包，以撷取出一信息；以及一循环决定单元，耦接至该封包分析单元，依据该信息判断该第二封包是否为该循环检测封包，以决定该网络装置是否有循环。

Description

循环检测方法及应用其的网络装置

技术领域

本发明是有关于一种循环(loop)检测方法及应用其的网络装置，其判断是否发生来源地址(source address)变动(moving)事件而判断循环是否存在。

背景技术

以太网络(Ethernet network)是目前最广为使用的局域网络(Local AreaNetwork)技术，用以连接个人计算机以及局域网络。在以太网络中，数据传输的基本单位是封包(packet)。Switch(交换器)是目前在局域网络中被广泛使用的桥接器(bridge)，其它桥接器比如为router(路由器)等。

交换器会包括多个端口(port)，这些端口会连接至个人计算机、笔记本型计算机或其它桥接器。当交换器的某一端口收到封包后，交换器会根据此封包中的目的地址(destination address)来选择适当的目的端口，将封包转送到此目的端口。

不具网络管理功能的低阶交换器不一定配有负责程序运算的中央运算单元(CPU)。当低阶交换器不具备CPU时，由无程序运算能力的特殊应用电路(Application Specified Integrated Circuit，ASIC)来处理封包。因此，此类低阶交换器不适合于过于复杂的通讯协议，但其价格较低廉。

广播(broadcast)是以太网络传输方式的一种。当封包带有特别的目的地址时，此封包会被视为是广播封包。当交换器收到广播封包时，其会将此广播封包传送到各个端口去。在较大型的局域网络里，两个或以上的桥接器之间可能会形成循环(loop)，他们之间有可能存在两条以上的路径。广播封包可能会在循环上不断地被重复地转发，占据网络频宽和网络装置的资源，造成网络的效能下降。

详细地说，当网络中存在循环时，会造成封包无限制地在此循环传输，大大地低降了传输效率。封包在交换器中会占据固定存储器空间。在正常情况下，当封包被送出后，交换器就可以释放出这个封包所占的存储器空间。但在循环存在的情况下，在送出一个封包后，交换器可能马上会收到刚刚送出的封包并将之存放于存储器内，造成存储器空间的浪费。当回路中存在封包数量不少时，甚至可能会耗尽交换器中所有可用的存储器，造成封包流失以及网络停摆。

请参阅图1A与图1B，其显示形成于局域网络中的两种循环的示意图。在图1A中，个人计算机105与115通过交换器110与120而彼此传送封包。由图1A可看出，由交换器110送出的封包可能会再被交换器130送回至交换器110，造成循环。

在图1B中，个人计算机105与115通过交换器110、120与130而彼此传送封包。由图1B可看出，由交换器110送出的封包可能会再被交换器130及140送回至交换器110，造成循环。图1B所显示的循环亦可称为自循环(self-loop)。

目前已有数种技术试着解决循环所造成问题。第一种技术乃是符合IEEE802.1的Spanning Tree Protocol(扩张树协议)。依此协议，当有循环存在时，循环上的某些连接(link)会被切断(比如，将交换器的端口失能，以切断连接)，以切断循环。然而，若以硬件来支持扩张树协议，成本较高。若以软件来支持扩张树协议，则交换器需要CPU。但是低阶交换器不一定有CPU，因此扩张树协议并不完全适合低阶交换器。

第二种技术则是将扩张树协议简化，硬件电路成本较低。其也是将交换器的端口失能，以移除循环。但是，当循环被切断后，第二种技术无法将原先被失能的端口恢复。这将造成局域网络被切断而无法让局域网络的装置顺利传输。

本发明实施例提出一个低成本循环检测方法，其能应用于低阶或中高阶的网络装置。

发明内容

本发明是有关于一种低成本循环检测方法与应用其的网络装置。当来源地址(source address)变动(move)时，其会检查是否收到本身所发出的循环检测封包，以判断循环是否存在。

本发明是有关于一种低成本循环检测方法与应用其的网络装置，在检查循环检测封包时，其会随机产生识别码。因此使用者不一定要手动指定识别码，降低制造商或网络管理者的不便。

本发明是有关于一种低成本循环检测方法与应用其的网络装置。当出现循环时，网络装置可通过特殊警示方式来警告使用者。当循环消失时，网络装置能解除循环警示状态。

根据本发明的一例，提出一种网络装置，包括：一地址变动检测单元，检测该网络装置所接收的一第一封包中的一地址字段是否发生变动；一循环检测封包产生单元，当该地址变动检测单元检测到该地址字段变动时，产生一循环检测封包；一封包分析单元，分析该网络装置所接收的一第二封包，以撷取出一信息；以及一循环决定单元，耦接至该封包分析单元，依据该信息判断该第二封包是否为该循环检测封包，以决定该网络装置是否有循环。

根据本发明的另一例，提出一种网络装置的循环检测方法，包括：检测该网络装置所接收的一第一封包中的一地址字段是否发生变动；当检测到该地址字段变动时，产生一循环检测封包；分析该网络装置所接收的一第二封包，以撷取出一信息；以及依据该信息判断该第二封包是否为该循环检测封包，以决定该网络装置是否有循环。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A与图1B显示形成于局域网络中的两种循环的示意图。

图2显示根据本发明实施例的网络装置的功能方块图。

图3显示根据本发明实施例的网络装置中的操作状态单元的状态图。

图4显示根据本发明实施例的网络装置如何确认是否有循环存在的流程图。

[主要元件标号说明]

105与115：个人计算机          110、120、130、140：交换器

200：网络装置                 210：循环检测模块

211：来源地址变动检测单元     211A：对应表

213：操作状态单元             215：循环决定单元

217：封包分析单元             219：循环检测封包产生单元

221：随机码产生单元           223：指示单元

225_1～225_N：封包接收单元    227_1～227_N：封包传送单元

250：警示单元                 410～480：步骤

具体实施方式

图2显示根据本发明实施例的网络装置的功能方块图。网络装置比如为有线/无线的交换器、路由器、存取点(access point)等桥接器(bridge)。如图2所示，网络装置200至少包括：循环检测模块210、警示单元250。循环检测模块210至少包括：来源地址变动检测单元211、对应表(LUT，LookUpTable)211A、操作状态单元213、循环决定单元215、封包分析单元(packetparser unit)217、循环检测封包产生单元219、随机码产生单元221、指示单元223、封包接收单元225_1～225_N与封包传送单元227_1～227_N。

当循环检测模块210以硬件方式实施时，其可位于MAC层(Medium AccessControl Layer，媒体存取控制层)。此外，如果网络装置配备具有运算能力的CPU时，则来源地址变动检测单元211、操作状态单元213、循环决定单元215、封包分析单元217、循环检测封包产生单元219与随机码产生单元221的功能可以软件方式实施，亦这些单元213、215、217与221可由CPU来执行。

网络封包至少包括来源地址(source address，SA)及目的地址(destination address，DA)。对应表211A记录来源地址与来源端口(sourceport)间的对应关系，来源端口是指网络装置的封包接收端口。以图1A为例，假设由个人计算机105传送给交换器110的封包中的来源地址为SA1；而个人计算机105连接至交换器110的端口1，则对应表211A会记录SA1与端口1间的关系。亦即，在正常情况下(无循环存在时)，来源地址SA1的封包(其应该是由个人计算机110所发出)应当是经由端口1接收到。

然而，至少有两种情况会使得SA与来源端口间的对应关系发生变动(亦即此对应关系不同于对应表211A)。第一种情况乃是，使用者将个人计算机105连接至网络装置的另一端口(但并无循环存在)；第二种情况则是，循环存在。当SA与来源端口间的对应关系发生变动时，本发明实施例的网络装置可通过后续流程来确认到底是第一种情况还是第二种情况发生。如果是第一种情况发生，则网络装置并不会通知使用者有异常情况。但如果是第二种情况发生，则网络装置会通知使用者有异常情况，让使用者排除循环；而且当循环已排除时，网络装置的警示状态会自动消失，不须使用者手动。

来源地址变动检测单元211持续地检测所接收到的封包中的SA与来源端口间的对应关系，并将之比对于对应表211A，以检测网络装置所接收的封包中的SA是否发生变动。如果封包的SA与来源端口间的对应关系不同于对应表211A，则视为已产生来源地址变动事件，来源地址变动检测单元211须通知操作状态单元213，以确认是否有循环存在。

操作状态单元213乃是状态机(state machine)。操作状态单元213会记录网络装置的目前操作状态，此操作状态包括至少一正常状态、一检查状态与一循环状态。图3显示根据本发明实施例的网络装置中的操作状态单元213的状态图。如图3所示，在初始情况下，操作状态单元213为正常状态，这表示没有SA变动及循环存在。

由于使用者可能会将个人计算机连接至网络装置的另一端口计算机而造成SA变动(但是，并无循环存在)。故而，当来源地址变动检测单元211告知有SA变动事件时，操作状态单元213会进入到检查状态。

在检查状态下，本发明实施例的网络装置会检查各端口是否真正有循环存在，如何检查是否真正有循环存在将于底下说明之。如果至少有一端口有循环存在，则操作状态单元213会进入循环状态。如果各端口皆无循环存在，则回到正常状态。

在循环状态下，网络装置200会持续确认循环是否存在；如果循环存在，则网络装置200会通知使用者。当各端口皆回报无循环存在时，则操作状态单元213从循环状态回到正常状态；如果至少有一端口仍持续回报有循环存在，则操作状态单元213维持于循环状态。

请参考图4，其显示根据本发明实施例的网络装置如何确认是否有循环存在的流程图。当操作状态单元213处于检查状态或循环状态时，其会执行图4的步骤。

如步骤410所示，先设定参数i的初始值。参数i代表所发出的循环检测封包的次数。接着，网络装置200会发送出循环检测封包给局域网络中的其它网络装置，如步骤420所示。

接着，网络装置200会判断是否收到由其本身所发出的循环检测封包，如步骤430所示。如何判断此循环检测封包是否由本身所发出将于底下描述之。如果收到由其本身所发出的循环检测封包，假设是端口a收到，则回报在端口a有循环(there is a loop on port a)，如步骤470所示；而且操作状态单元213要从检查状态进入到循环状态，或者操作状态单元213要维持于循环状态。

在本实施例中，可以等时间间隔过了之后，才发出下一个循环检测封包。所以，在步骤440中，判断此时间间隔是否已过。如果已过，则将参数i加1，如步骤450所示；如果时间间隔尚未过，则流程回至步骤430，判断是否接收到本身所发出的循环检测封包。

在步骤450之后，判断参数i是否达最大值，如步骤460所示。如果参数i已达最大值，代表在发出特定次数的循环检测封包后，网络装置都没有接收到本身所发出的循环检测封包，此时可视为网络装置并无循环存在(也就是说，来源地址变动事件可能是因为使用者将个人计算机105连接至网络装置的另一端口所导致)，所以，在步骤480中，回报并无循环存在。

另一方面，如果参数i尚未达最大值，则流程回至步骤420，以继续判断是否收到本身所发出的循环检测封包。

在检查状态或循环状态下，如果在送完特定次数的循环检测封包后若都没有收到任何一个本地端发出的循环检测封包，表示循环并不存在，操作状态单元213会回到正常状态。若收到本地端所发出的循环检测封包，表示存在循环，操作状态单元213会从检查状态进入至循环状态或持续维持于循环状态。在循环状态下，于指示单元223的控制下，网络装置200的警示单元250会发出警示信号(如蜂鸣器的声音或LED的特殊闪烁方式)，来告知使用者目前存在循环；或者，指示单元223会发出中断信号给CPU，来告知CPU目前存在循环。

在循环状态下，网络装置执行图4的步骤，以确认循环是否已解除。如果循环已解除，则操作状态单元213会回到正常状态；如果循环尚未解除，则操作状态单元213会维持于循环状态。在图4中，时间间隔与i的最大值(发送封包的最大次数)都是可以由使用者改变/设定。

在检查状态或循环状态下，网络装置200会发出循环检测封包(loopdetection packet)。循环决定单元215会决定是否有循环存在。细言之，循环决定单元215会辨认所接收到循环检测封包是否为本地端(网络装置200)所发出，以决定是否有循环存在。如果发生这种情况，则视为有循环存在，则必须回报此情况(并记录收到此循环检测封包的端口与发出此循环检测封包的端口)。另一方面，如果所接收到的循环检测封包不是本地端所发出，则循环决定单元215将所接收到的此循环检测封包传送至由使用者所决定的端口屏蔽(port mask)。

当操作状态单元213收到SA变动事件时，操作状态单元213会通知循环检测封包产生单元219，以产生循环检测封包。在本实施例中，循环检测封包会包括下列字段：(a)目的地址字段、(b)来源地址字段、(c)类型字段、(d)协议ID字段(Protocol ID field)、(e)随机ID字段(random ID field)、(f)使用者设定ID字段、(g)端口码字段(Port Number field)、(h)保留码字段与(i)错误检查字段。

(a)目的地址字段：记录封包的目的地址，其长度为6个地址组(byte)。如果每个byte的值为0xFF时，则代表此循环检测封包是广播封包(broadcastpacket)。另一方面，使用者也可以自行设定目的地址字段的值，以决定要将循环检测封包送至哪些端口。

(b)来源地址字段：记录循环检测封包的来源地址，其长度为6个地址组，其格式为MAC地址。

(c)类型字段：表示封包的类型，其长度为2个地址组，其值由网络装置200的制造商所设定。

(d)协定ID字段：其长度1个字节。其预定值为0x23。这个字段是识别封包是否为是循环检测封包的依据。也就是，当此字段不是此预定值时，则此封包并非循环检测封包；反之亦然。

(e)随机ID字段：其长度为6个组元组，其代表随机产生的网络装置识别码。在每次操作状态单元213进入检查状态时，此字段的值由随机码产生单元221所产生。当处于检查状态及循环状态下，此随机识别码保持不变。根据这个字段，网络装置200的循环决定单元215能识别循环检测封包是否为自己发出。由于随机ID字段是随机码(由随机码产生单元221所产生)，所以各网络装置所产生的循环检测封包中的随机ID字段应该是不同的(或者说，相同的机率极低)。如果所接收到的循环检测封包中的随机ID字段符合于本身的随机码，则可以判断这个循环检测封包是自己发出(亦即有循环存在)。

(f)使用者设定ID字段：其长度为6个字节，其代表由使用者所设定的网络装置识别码。不同网络装置所随机产生的随机ID字段仍有可能会相同(虽然其机率甚低)，故而，为避免此情况且更进一步确定判断循环检测封包是否自己所发出，在本实施例，比对所接收到的循环检测封包中的使用者设定ID字段是否相同于使用者所设定的值。如果相同，则可以确认判断循环检测封包是自己所发出。

(g)端口码字段：表示发出循环检测封包的端口码。以图1A为例，假设交换器110的端口1连接至交换器120；而交换器110的端口3连接至交换器130。如果交换器110判断由交换器130所传来的循环检测封包为其本身所发出(且循环检测封包的端口码字段为1)，则代表交换器110的端口1与端口3之间形成循环。以图1B为例，假设交换器110的端口1连接至交换器120。如果交换器110的端口1判断由交换器120所传来的循环检测封包为其本身所发出(且其端口码字段为1)，则代表交换器110的端口1已形成自循环(self-loop)。

(h)保留码字段：长度为32字节，其值可全为0。

(i)错误检查字段：用于封包的错误检查(error check)。

响应于操作状态单元213每次进入检查状态，随机码产生单元221会产生随机码(其长度也为6字节)。此随机码会被加入至于循环检测封包中，以令网络装置识别所接到的循环检测封包是否是由自己发出。这个随机码在检查状态与循环状态中不会改变。

在网络装置收到封包后，封包分析单元217根据协议ID字段的值而判断这个封包是否是为循环检测封包。如果是的话，则封包分析单元217会将所需内容由循环检测封包中撷取出来，并传送给循环决定单元215。循环决定单元215会将网络装置200的随机ID码(由随机码产生单元221所产生并暂存)与使用者设定ID(由使用者所设定)比较于封包分析单元217从循环检测封包所撷取出的随机ID字段与使用者设定ID字段，以判断所接收到的循环检测封包是否是自己发出的。然而，在判断所接收到的循环检测封包是否是自己发出时，循环决定单元215亦可只将网络装置200的使用者设定ID比较从循环检测封包所撷取出的使用者设定ID字段；或者，循环决定单元215亦可只将网络装置200的随机ID比较从循环检测封包所撷取出的随机ID字段。当比对符合(代表有循环存在)时，循环决定单元215会通知操作状态单元213。

当操作状态单元213处于循环状态，指示单元223会根据循环检测封包中的端口码字段，以及收到这个循环检测封包的端口码而进行以下操作：(a)控制网络装置上的发光二极管(LED)以特殊方式闪烁，以告知使用者哪些端口有循环存在；或者，(b)触发蜂鸣器(buzzer)，以告知使用者哪些端口有循环存在；或者(c)发出中断信号给CPU(未显示于图2中)，由于已经存在循环的端口已经记录于暂存器中(未显示于图2中)，CPU可以对存在循环的那些端口进行相对应处理。指示单元223与蜂鸣器或LED间的信号为通用输入/输出号(General Purpose I/O，GPIO)。

封包接收单元225_1～225_N与封包传送单元227_1～227_N乃是耦接至网络装置的物理层(physical layer)。由循环检测封包产生单元219所产生的循环检测封包会通过封包传送单元227_1～227_N而送至物理层，以送至其它网络装置。另一方面，由物理层所收到的封包(来自其它网络装置)则通过封包接收单元225_1～225_N而送至封包分析单元217。封包接收单元225_1～225_N与封包分析单元217之间的总线可为高速总线，以高速传输封包。循环检测封包产生单元219与封包传送单元227_1～227_N之间的总线可为高速总线，以高速传输封包。

现将说明本实施例如何检测循环的存在。首先，当来源地址变动检测单元211检测到来源地址变动事件时，其会通知操作状态单元213，响应于此，操作状态单元213会由正常状态进入检查状态。

当操作状态单元213进入检查状态后，操作状态单元213会通知循环检测封包产生单元219以产生循环检测封包；而且，操作状态单元213会通知随机码产生单元221以产生随机码，此随机码会加入于循环检测封包中。所产生的循环检测封包会经由封包传送单元227_1～227_N而传送至同一局域网络内的其它网络装置。接着，当网络装置200接收到同一局域网络内的其它网络装置所传来的封包时，此封包会经由封包接收单元225_1～225_N而传送至封包分析单元217。当封包分析单元217分析接收到的封包的格式符合循环检测封包格式时，其会将从接收到的封包内撷取出随机ID字段与使用者设定ID字段，并传送给循环检测封包产生单元219。据此，循环检测封包产生单元219会判断所接收到的封包是否为网络装置200本身所发出。如果是的话，则循环检测封包产生单元219会告知操作状态单元213，而操作状态单元213会由检查状态进入到循环状态。然而，如果在网络装置200发出既定次数的循环检测封包后，网络装置200的各端口都没有接收到本身所发出的循环检测封包，则操作状态单元213会由检查状态回到正常状态(这代表，先前来源地址变动检测单元211所检测到的来源地址变动事件可能是起因于使用者将个人计算机连接至网络装置200的另一端口)。

在循环状态下，操作状态单元213会执行图4的流程(此时，网络装置200仍要发送循环检测封包给其它网络装置)。直到操作状态单元213确认各端口都没有循环存在(在网络装置200发出既定次数的循环检测封包后，网络装置200的各端口都没有接收到本身所发出的循环检测封包)，操作状态单元213会由循环状态回到正常状态。

综上所述，本发明上述实施例所揭露的网络装置及其循环检测方法，具有多项优点，以下仅列举部分优点说明如下：

(1)本实施例的电路复杂度并不高，适用于所有网络装置，不论其是否具有CPU。

(2)本实施例在检查循环检测封包时，会随机产生识别码。因此使用者不一定要手动指定识别码，降低制造商或网络管理者的不便。

(3)当来源地址变动时，本实施例会检查是否收到本身所发出的循环检测封包，以判断循环是否存在。如此，降低误操作的发生机率，避免影响网络效能。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (21)

1.一种网络装置，包括：

一地址变动检测单元，检测该网络装置所接收的一第一封包中的一地址字段是否发生变动；

一循环检测封包产生单元，当该地址变动检测单元检测到该地址字段变动时，产生一循环检测封包；

一封包分析单元，分析该网络装置所接收的一第二封包，以撷取出一信息；以及

一循环决定单元，耦接至该封包分析单元，依据该信息判断该第二封包是否为该循环检测封包，以决定该网络装置是否有循环。

2.根据权利要求1所述的网络装置，其中，该地址字段为一来源地址字段。

3.根据权利要求1所述的网络装置，其中，该地址变动检测单元依据一对应表，判断该地址字段是否发生变动。

4.根据权利要求1所述的网络装置，还包含：

一操作状态单元，耦接至该地址变动检测单元，用于记录该网络装置目前的一操作状态，该操作状态包含至少一正常状态、一检查状态与一循环状态。

5.根据权利要求4所述的网络装置，其中，当该地址变动检测单元检测到该地址字段变动时，该操作状态单元被设定为检查状态，且该循环检测封包产生单元产生该循环检测封包。

6.根据权利要求4所述的网络装置，其中，当该操作状态为该检查状态时，该封包分析单元与该循环决定单元检查该网络装置的各端口是否有循环存在；以及如果至少有一端口有循环存在，则该操作状态单元由该检查状态进入该循环状态。

7.根据权利要求6所述的网络装置，其中，当该操作状态为该循环状态时，该循环决定单元持续确认循环是否仍存在；以及如果循环存在，则该网络装置发出一警示信号。

8.根据权利要求7所述的网络装置，其中，当该操作状态为该循环状态时，如果该网络装置未接收到本身所发出的该循环检测封包，则该操作状态单元由该循环状态回到该正常状态。

9.根据权利要求4所述的网络装置，其中，当该操作状态为该检查状态时，在该循环检测封包产生单元送出一预定次数的该循环检测封包后，如果该网络装置未接收到本身所发出的该循环检测封包，则该操作状态单元由该检查状态回到该正常状态。

10.根据权利要求1所述的网络装置，还包括：

一随机码产生单元，用以产生一随机识别码。

11.根据权利要求10所述的网络装置，其中，该信息为该第二封包中的一协议识别码字段，以决定该第二封包的格式是否符合于一循环检测封包格式；以及当该第二封包的格式符合于该循环检测封包格式时，该循环决定单元比对该随机识别码与该第二封包中的一第一识别字段，以判断是否发生循环。

12.根据权利要求11所述的网络装置，其中，该循环决定单元还比对一使用者设定识别码与该第二封包中的一第二识别字段，以判断是否发生循环。

13.根据权利要求1所述的网络装置，其中，当循环发生时，该网络装置发出一警示信号。

14.根据权利要求1所述的网络装置，其中，当循环发生时，该网络装置中的一指示单元发出一中断信号。

15.一种网络装置的循环检测方法，包括：

检测该网络装置所接收的一第一封包中的一地址字段是否发生变动；

当检测到该地址字段变动时，产生一循环检测封包；

分析该网络装置所接收的一第二封包，以撷取出一信息；以及

依据该信息判断该第二封包是否为该循环检测封包，以决定该网络装置是否有循环。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，该地址字段为一来源地址字段。

17.根据权利要求15所述的方法，还包含：

依据一对应表，判断该地址字段是否发生变动。

18.根据权利要求15所述的方法，还包含：

记录该网络装置目前的一操作状态，该操作状态包含至少一正常状态、一检查状态与一循环状态。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，当检测到该地址字段变动时，该操作状态被设定为检查状态，且产生该循环检测封包。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，当该操作状态为该检查状态时，检查该网络装置的各端口是否有循环存在；以及如果至少有一端口有循环存在，则该操作状态由该检查状态进入该循环状态。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，当该操作状态为该循环状态时，持续确认循环是否仍存在；以及如果循环存在，则发出一警示信号。

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