CN102195801A - 具有延展性的网络系统及其备援方法 - Google Patents

Abstract

一种具有延展性的网络系统及其备援方法，实施例所提出的网络系统包括环状或是线型的网络系统，包括由多个网络节点形成的多个子网，各子网更相互连结形成另一网络，网络初始时，定义出各子网中各网络节点相互连线的端口角色，同时定义出由多个子网相互连结的网络节点上各端口的角色，包括阻隔端口与转送端口，除了防止网络可能形成的广播风暴外，更能于网络连线改变时，通过端口重新定义的机制修正封包传递的路径，达到快速完成备援连线的功能，另产生更具弹性的网络延展功能。

Description

具有延展性的网络系统及其备援方法

技术领域

本发明涉及一种具有延展性的网络系统及其备援方法，特别是建立一由多个包括多个网络节点的子网所形成的网络，通过其中端口角色定义与于网络连线改变时重新定义的机制达到快速完成备援的技术。

背景技术

随着应用层面普及，网络环境的安全与可靠性更显重要，为了避免网络连线发生突发事件而断线，或是网络上装置失效而导致连线失败的问题，有公知技术提出在各种网络型态下的备援机制。

一般来说，目前应用在局域网或是工业自动化系统中的网络，在每个节点都设有网络交换器(Network Switch)，并经由各个交换器连结到相关设备，除了一般电脑、服务器等连网设备外，更有应用于工业自动化系统中的工业控制器(industrial controller)，操作者可通过工业控制器执行远程仪控或是维护。

网络架构的连结拓朴形式有很多种，包含了线形(Line)、环状(Ring)、排状(Bus)、星形(Star)、网状(Mesh)、树状(Tree)等等，其中环状的连接方式为网络中各个节点呈串连相接，头尾再相连形成闭合环状，每个节点都可以通过环状的线路与其它任何节点相互通信。然而环状网络中数据的传输，因其线路呈现环状循环，若是旧信息一直无止境的在线路中循环传递，占用了网络带宽，就会使新的信息无法传递，形成网络的瘫痪，这种现象称为广播风暴(BroadcastStorm)。其解决的方法就是在环状网络的某一个交换器节点上设置阻隔端口(blocked)，不允许信息通过，因此信息就不会无止境的传递下去。

又因为环状网络的传信特性，当网络中其中一个节点毁损中断，无法使用时，其它节点也会受影响，甚至造成网络瘫痪，因此确保线路的畅通是很重要的。而现今环状网络的备援方法大部分都采用RapidSpanning Tree Protocol(RSTP)的演算法，来让线路的稳定性提高。RSTP算法中，当阻隔着的端口侦测到环状线路中有其它节点或线路损坏时，就马上把原本阻隔着的端口变成可通信的转送端口(forward)，让整个系统线路能维持畅通；而当损坏的节点或线路修复之后，再恢复原始设定即可。

应用多个环状网络的备援技术，公知技术提出如图1所示具有备援功能的环状网络。

图中显示有多个网络节点101，102，103，104，105，106，分别形成两个环状网络11，12，两个环状网络11，12以两个连线13，14相互连结，包括网络节点101与网络节点104间的连线13，与网络节点103与网络节点106间的连线14。在一般运作时，以一主要连线，如连线13，作为封包传递的主要路径。当有任何连线产生异状时，比如主要连线断掉、节点失效等状况，备用线路，如连线14，会立即启用，包括各连线上的节点的各端口状态亦会改变，以避免两个环状网络11，12之间通信中断。

上述技术中，因为线路损坏或是修复状态的传递需要时间，而一般使用RSTP演算法则在端口状态的切换不够迅速，因此常导致在端口状态切换期间，线路上信息封包的遗失过多，导致整个系统的错误。

发明内容

不同于公知技术，并提出快速备援且具有延展性的网络架构，根据本发明实施例，提出一种具有延展性的网络系统，网络系统可为环状或是线型网络，其主要是应用由多个网络节点形成多个子网，各子网可相互连结形成另一具有环状拓朴的网络，根据其中各节点相互连线的端口定义，除了防止网络内可能形成的广播风暴(broadcast storm)外，更能通过端口定义的机制达到快速备援与网络延展的功能。与公知技术要发出信号通知初始阻隔端口的技术相比，能省去了许多信号传递的时间，减少封包遗失，并提高了系统的稳定性。

上述各网络节点具有至少两个连接其他网络节点的网络连接端口，由网络节点相互连线形成一个子网，而两个子网可相互连结形成具有延展性的环状或线型网络系统。

特别的是，在网络连线进行初始化时，由一个子网来看，其中各网络节点上的各网络端口将会定义一个阻隔端口(Blocked)与多个转送端口(Forward)，根据实施例，除了依据连接关系外，可根据相互连接的各网络端口的媒体存取控制地址(MAC)比对后定义出何者为阻隔端口，而其余则为转送端口。各网络节点于网络运作当中，会随时侦测各端口连线状况，当网络连接关系改变时，包括连线失败、装置失效与连线修正等情况，即时重新定义各端口的角色，比如原本是阻隔端口的，可能因为转态为转送端口，或是相反。

本发明提出一种具有延展性的网络系统，包括：

多个网络节点，各网络节点具有至少两个连接其他该网络节点的网络连接端口；以及

至少两个子网，该多个网络节点相互连线形成一环状或线型子网，该至少两个子网相互连结形成该具有延展性的网络系统；

其中，形成各子网的各网络节点上的各网络连接端口于网络初始时定义有不同的端口角色，且于网络连接关系改变时，重新定义各端口角色，而不同的两个子网通过一网络节点相互连结。

本发明另提出应用于上述具有延展性的网络系统的备援方法，步骤包括先建立由多个网络节点形成的子网，多个子网相互连结形成一具有延展性的网络系统。接着初始化此网络系统，并定义各子网中多个网络节点的各网络连接端口的角色，包括有阻隔端口与多个转送端口。

除了定义出各子网中各网络连接端口的角色外，连接各子网间的一个或多个网络节点上的各网络连接端口的角色同样应被定义出阻隔端口或是转送端口。

于网络运作时，根据各网络节点间连线状况判断是否有连线改变，比如有连线失败、装置失效或是有连线修正时，都会造成侦测连线状况发生问题，此时，一个网络节点的连线关系改变后，会通知相关节点，系统会依据连线状况与媒体存取控制地址重新定义发生改变的子网中的各网络连接端口的角色，或是各子网间连线的网络连接端口的角色，封包传递的路径将被修正，由此回避掉连线有问题的部份，由此机制迅速完成一备援连线。

换句话说，本发明另提供一种应用于上述具有延展性的网络系统的备援方法，所述的方法包括：

建立由多个网络节点形成的至少两个子网，各子网相互连结形成一具有延展性的环状或线型网络系统；

初始化该具有延展性的网络系统；

定义各子网中该多个网络节点的各网络连接端口的角色；

定义连接各子网问的一或多个该网络节点上各网络连接端口的角色；

于完成连线后，根据各网络节点间连线状况判断是否有连线改变；

若无连线改变，则继续判断是否有连线改变的步骤；

若有连线改变，则判断改变在子网中或是各子网之间连线的网络节点上；

经广播通知发生改变相关的各网络节点后，重新定义发生改变的子网中的各网络连接端口的角色，或是各子网间连线的网络连线端口的角色；以及

完成一备援连线。

附图说明

图1为公知技术具有备援功能的环状网络示意图；

图2为一基本环状网络的示意图；

图3为一环状网络连接外部网络的示意图；

图4为本发明应用两个环状网络连接一个外部网络的实施例示意图；

图5为本发明应用三个环状网络的网络架构实施例示意图；

图6为本发明应用三个环状网络连接一个外部网络的实施例示意图；

图7为本发明具有延展性的环状网络系统的备援方法流程。

【主要元件附图标记说明】

网络节点101，102，103，104，105，106

环状网络11，12    连线13，14，32，33

阻隔端口B         转送端口F

环状网络20，30

网络节点201，202，203，204，301，302，303，304，401，402，403，404，405，406，501，502，503，504，505，506，507，508，509，601，602，603，604，605，606，607，608，609

连线31，32，43，44，45，54，55，56，64，65，66，67

环状子网41，42，51，52，53

子网61，62，63

外部网络30，40，60

S701-S717本发明方法流程

具体实施方式

先请参阅图2所示的基本环状网络的示意图。

此环状网络(Ring Network)20中有多个网络节点201，202，203，204，可为网络交换器(Switch)，其相互串连相接形成环状。网络节点201，202，203，204各包含两个以上的网络连接端口(Network port)，用以相互连接形成环状。各网络节点201，202，203，204中包含了一内存，用以储存各端口与连接的端口的状态。

当环状网络架设完成，各个网络节点201，202，203，204与邻近的网络节点会开始互相连线交换信息，以定义初始端口的角色。于较佳实施例中，主要是比较各个相互连接的端口的媒体存取控制地址(MAC)，比如，两两相比后，将整个环状网络20中具有最大媒体存取控制地址的端口设为阻隔端口(Blocked port)B，如网络节点202 上有两个连接其他节点的网络连接端口，其中之一定义为阻隔端口B，使网络上封包在此中止。除了此阻隔端口外，其它端口设为可通信，定义为转送端口(Forward port)F，以此机制可以使环状网络20不会产生广播风暴。如此便完成了初始值的设定。

在图2所表示的环状网络20上各网络节点201，202，203，204皆可透故其上的设备端口连接至终端设备，故此环状网络20提供各终端设备备援的功能。

备援机制是，当有网络节点203与204间相连的线路损坏中断，损坏线路两端的网络节点203与204会侦测出有连线中断的情况，此时就会发出一线路中断信号，再利用广播封包通知环状网络20上所有节点。之后，原本在网络节点202上定义为阻隔端口B的网络连接端口就转态为转送端口F，使得网络上传递的封包仍可传送到产生断线的网络节点203上，如此一来，环状网络上的各个节点仍可正常相互通信，且不会有广播风暴的产生。

接着，若线路修复后，修复线路两端的网络节点203，204相连的网络端口将择一定义为阻隔端口B，另一端则定义为转送端口F，而不影响其他网络节点的运作，亦使得此环状网络20能正常运作。

图3显示为上述环状网络连接外部网络的示意图，此图显示有一由多个网络节点301，302，303，304形成的环状网络31，在此网络架构下，环状网络31上由网络节点303与网络节点304分别以连线32，33连接至外部网络30，此例中，网络节点304上连接网络节点303的网络连接端口定义为阻隔端口B。

此环状网络31可以提供外部网络30备援的机制，此例以两个连线32，33同时连结外部网络30，并且相互备援，当有任何一条连线断掉，其连接的网络节点侦测到，并通过端口重新定义，将连线转为另一个连线，达到备援的目的。而环状网络31则通过上述各端口定义提供外部网络30存取此内部网络的一个稳定连线。

根据本发明提出的环状网络系统，上述一个由多个网络节点形成的环状网络为一个子网单元，称为环状子网，而各环状子网相互连接，更可形成另一个环状网络，由此架构可延展至更多可能网络架构，达成具有延展性的环状网络系统。

第一实施例：

先参考图4所示的本发明应用两个环状网络连接一个外部网络的实施例示意图。

此例中有两个环状子网41，42，环状子网41由网络节点401，402，403形成，环状子网42由网络节点404，405，406形成，而两者以网络节点403与网络节点405间的连线43连结，各节点相互通过其上的 网络连接端口相互连结。各网络节点可为网络交换器，故可另外具有连接各种连网设备的设备端口。而两个不同的网络交换器则可分别属于不同网络拓朴型态的两个局域网。

由图可知，环状子网41中的各网络节点401，402，403上的各端口定义有一阻隔端口B，其他则为转送端口F，同样可在任何节点或是连线产生改变时，重新定义各端口角色使得网络结构能够快速收敛成一个备援环境，达到环状网络内部的备援效果。同理，环状子网42中同样有一网络连接端口定义为阻隔端口B，而其他则为转送端口F。

在上述有任一网络节点发现有连结中断时，其中改变包括有连线失败、装置失效与连线修正，此网络节点将此信息利用广播方式通知相关网域内的各网络节点，通知网络拓朴型态改变，此时，系统将启动端口角色重新定义的机制，以收敛网络，并形成备援连线。举例来说，若有断线或是有网域内装置失效，当网域内所有的网络节点得知改变时，其中的阻隔端口会转态为转送端口，可使得封包传递可以回避断线的地方；或是，若有任何连线修正，加入或是减少一个网络节点都会产生网络改变，此时，原有的阻隔端口可能会转态为转送端口，而加入的端口可被选择性定义为阻隔端口与转送端口。

两个环状子网41，42通过连线43连结，可以提供极好的延展性，并且提供所连接的各种终端设备备援的功能，包括提供图中显示外部网络40的连线备援。

外部网络40通过两个连线44，45分别连接至环状子网41，42，图中显示，分别由网络节点403的网络连接端口与网络节点405的网络连接端口通过连线与外部网络40连线，并同样形成一个环状网络系统。此环状网络系统同样应用本发明通过端口定义转态的机制达成备援的功效。

也就是，此网络系统于网络连线之初，各连线端口即完成定义，如图所示的范例，除了网络节点405连线至外部网络40的网络连接端口定义为阻隔端口(B)之外，其余各端口应定义为转送端口(F)。当连线43，44，45中有网络连接关系改变时，将通过重新定义各网络连接端口的端口角色，维持连线能力。比如，有任一连线断线时，网络节点405连线至外部网络40的网络连接端口将重新定义为转送端口，由此，仍能通过其他连线继续工作，使得使用者仍能通过外部网络40存取环状子网41，42所连接的各式终端设备的工作亦不会受到影响。

第二实施例：

本发明提出一种具有延展性的环状网络系统，其中有多个网络节点，各网络节点具有至少两个连接其他网络节点的网络连线端口，各网络节点相互连接可形成至少两个环状子网，而多个环状子网又相互 连结形成具有延展性的环状网络系统，在网络初始时，系统会将网域内各网络连接端口定义有一个阻隔端口与多个转送端口，且于网络连接关系改变时，再利用重新定义阻隔端口与转送端口的机制，提供备援的功效。

可参考图5显示的本发明应用三个环状网络的网络架构实施例示意图。

此例显示有三个由多个网络节点501，502，503，504，505，506，507，508，509形成的环状子网51，52，53，分别是由网络节点501，502，503形成的环状子网51、由网络节点504，505，506形成的环状子网52与由网络节点507，508，509形成的环状子网53，其中环状子网51与环状子网52由连线54连结，环状子网52与环状子网53由连线55连结，环状子网53与环状子网51由连线56连结。

特别的是，各环状子网中相互连结的网络节点的网络连接端口分别定义有一个阻隔端口B与多个转送端口F，为的是防止环状网络发生广播风暴的问题，并提供在网络连线改变时重新定义角色以产生备援的功能。由各环状子网51，52，53相互以连线54，55，56串接另一大的环状网络，而各环状子网51，52，53间相互连接的网络连接端口同样定义有阻隔端口B与多个转送端口F。

在此架构下，有些网络节点运作为环状子网51，52，53中的节点，而同时也为大的环状网络连结各子网的节点，如网络节点502有三个网络连接端口，其中两个为连结内部子网的端口，另一个则为各子网相互连接的端口，而此例将此端口定义为转送端口F；另有网络节点503以定义为转送端口F的网络连接端口连接至网络节点504；网络节点506上有一定义为转送端口F的网络连接端口连接至网络节点507；网络节点508则有一定义为阻隔端口B连接至网络节点502。

第三实施例：

相对于图5显示的网络架构，图6显示应用三个子网连接一个外部网络60的架构，此例中包括有三个子网61，62，63，其中各网络节点并非完整连线为环状，而可为线型网络，故本发明可应用于非环状的线型网络架构上。各子网61，62，63中的网络节点的网络连接端口无须定义有阻隔端口B，而全为转送端口F。

此例中，外部网络60可通过两个连线66，67连接此网络系统，如图所示，外部网络60分别连线至网络节点602与网络节点607的网络连接端口，通过连线64，65，66，67亦产生一个广域的环状网络，并可应用本发明所提供的备援机制，由此产生备援的功能。

在此广域的环状网络系统中，各相互连接的网络端口在网络初始时，通过彼此之间媒体存取控制地址(MAC)的比对定义为转送端口 或是阻隔端口，由于此广域网系统形成一个环状网络，故需定义一个阻隔端口，此例中，即为网络节点607连接至外部网络60的网络连接端口。当该网络系统与外部网络60的连接关系改变时，通过本发明提出的备援机制，将重新定义连线64，65，66，67上的网络连接端口的端口角色，比如将原来阻隔端口重新定义为转送端口。

本发明所提出的具有延展性的环状网络系统的备援方法则应用于上述各实施例，步骤请参考图7的流程。

在步骤开始之初，如步骤S701，建立由多个网络节点形成的至少两个环状或线型的子网，本发明由此至少两个子网相互连结形成一具有延展性的网络系统，其中，在特定实施例所述的子网中各节点可不必形成相互连结的环状网络，而可为相当应用定义其中网络连接端口为一个阻隔端口与多个转送端口的效果的环状网络。同时，此网络系统可通过其中两个连线连接一个外部网络。

接着初始化此具有延展性的网络系统，包括连接到上述外部网络的连线关系(步骤S703)，初始化过程则定义各子网中多个网络节点的各网络连接端口的角色，每个子网中各网络连接端口定义有一阻隔端口与多个转送端口(步骤S705)，在较佳实施例中，各网络节点比对相互连结连结的网络连接端口的媒体存取控制地址，两两相比之后，将信息广播至整个子网上的节点，能够自动产生一阻隔端口，而其余端口则定义为转送端口，本发明即应用阻隔端口与转送端口的角色定义的机制产生连线备援的功效。

同时，由于各子网亦通过一或多个网络节点相互连接形成一涵盖较广的环状网络，包括连线至外部网络的连线状态，如步骤S707，在此环状网络中，本发明方法同样定义出连接各子网间的各网络节点的网络端口角色，在此广域的连线上有一阻隔端口与多个转送端口；在另一实施例中，此网络系统连线至外部网络的连线端口，与各子网间的连线端口同样在此初始化程序中同样定义有一个阻隔端口与多个转送端口。当有连线改变时，同样可以通过各端口角色重新定义来达成连线备援的效果。在另一实施例中，此涵盖较广的环状网络的两端可不用相互衔接，故此类网络架构则不需有阻隔端口。

之后完成连线，如步骤S709，在网络运作过程各网络节点会根据相互连结的物理层(physical layer)的连线状况判断连线是否有改变，比如在网络交换器上的连线状态(link)，连线改变包括连线失败、装置失效与连线修正。于步骤S711中，此具有延展性的网络系统在网络运作过程判断是否有连线改变。

若过程中无连线改变，表示没有连线失败、各节点装置失效或是连线修正的改变时，则继续步骤S711判断是否有连线改变的步骤；若 有连线改变，则接着判断此改变是在子网中，或是各子网之间，或是连接至外部网络的连线的网络节点上(步骤S713)。

不论是子网络中的连线产生改变，广域的环状网络的连线有改变，或是广域连线至外部网络的连线的改变，经广播通知发生改变相关的各网络节点后，相关网络上的各网络连接端口的角色会被重新定义，在步骤S715中，重新定义发生改变的子网中的各网络端口的角色，或是各子网间连线的网络连接端口的角色。最后完成备援连线(步骤S717)。

综上所述，借助于图7所描述的备援流程，本发明主要通过环状子网或是其组成的环状网络上各连接节点的端口角色定义，达到快速网络收敛与备援的功效，让此网络系统连接的外部网络，或是网域内连线设备都有备援连线的机制。

但是，以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的权利要求保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明的权利要求保护范围内，特此声明。

Claims (10)

1.一种具有延展性的网络系统，其特征在于，所述的系统包括：

多个网络节点，各网络节点具有至少两个连接其他该网络节点的网络连接端口；以及

至少两个子网，该多个网络节点相互连线形成一环状或线型子网，该至少两个子网相互连结形成该具有延展性的网络系统；

其中，形成各子网的各网络节点上的各网络连接端口于网络初始时定义有不同的端口角色，且于网络连接关系改变时，重新定义各端口角色，而不同的两个子网通过一网络节点相互连结。

2.如权利要求1所述的具有延展性的网络系统，其特征在于，于该子网中，各网络节点的多个网络连接端口经端口角色定义后形成一个阻隔端口与多个转送端口；于连接各子网形成的网络上，其中连接各子网间的各网络节点的多个网络连接端口经端口角色定义后形成一个阻隔端口与多个转送端口。

3.如权利要求2所述的具有延展性的网络系统，其特征在于，于网络初始时所定义的该阻隔端口与该转送端口是根据相互连接的各网络连接端口的媒体存取控制地址比对后得出，其中更通过各网络连接端口的物理层的侦测判断是否有网络连接关系的改变。

4.如权利要求1所述的具有延展性的网络系统，其特征在于，所述的网络系统包括两个连线一外部网络的网络连线端口，该两个网络连接端口于网络初始时定义端口角色；当该网络系统与该外部网络的连接关系改变时，重新定义该两个网络连接端口的端口角色。

5.一种应用于权利要求1的具有延展性的网络系统的备援方法，其特征在于，所述的方法包括：

建立由多个网络节点形成的至少两个子网，各子网相互连结形成一具有延展性的环状或线型网络系统；

初始化该具有延展性的网络系统；

定义各子网中该多个网络节点的各网络连接端口的角色；

定义连接各子网间的一或多个该网络节点上各网络连接端口的角色；

于完成连线后，根据各网络节点间连线状况判断是否有连线改变；

若无连线改变，则继续判断是否有连线改变的步骤；

若有连线改变，则判断改变在子网中或是各子网之间连线的网络节点上；

经广播通知发生改变相关的各网络节点后，重新定义发生改变的子网中的各网络连接端口的角色，或是各子网间连线的网络连线端口的角色；以及

完成一备援连线。

6.如权利要求5所述的备援方法，其特征在于，各子网中各网络连接端口定义有一阻隔端口与多个转送端口；该至少两个子网形成另一个网络，而连接各子网间的多个网络节点的网络连接端口则经角色定义后形成一个阻隔端口与多个转送端口。

7.如权利要求5所述的备援方法，其特征在于，所述的网络节点为一具有至少两个连接其他网络节点的网络连接端口的网络交换器。

8.如权利要求5所述的备援方法，其特征在于，所述的连线改变的状态为连线失败、装置失效与连线修正之一。

9.如权利要求8所述的备援方法，其特征在于，于网络初始时或是发生连线改变后所定义的该阻隔端口与该转送端口是根据相互连接的各网络连接端口的媒体存取控制地址比对后得出，其中更通过各网络连接端口的物理层的侦测判断是否有网络连接关系的改变。

10.如权利要求5所述的备援方法，其特征在于，于建立该至少两个子网的该网络系统包括连接一外部网络，该网络系统通过两个网络连接端口连接该外部网络；该两个网络连接端口于网络初始化时定义端口角色；当该网络系统与该外部网络的连接关系改变时，重新定义该两个网络连接端口的端口角色。

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