CN102394787A - 基于epa交换机的双链路冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护EPA交换机双链路冗余控制方法，涉及工业以太网现场控制领域。本发明所述网络中，EPA交换机通过互相冗余的双链路相连接成环网，通过对链路进行分析，选取双链路中最健壮的链路作为工作链路，另外一条链路作为备用链路，将网络修剪为无环路的拓扑结构，交换机通过具有能够当选主交换机权限的令牌的传递，周期性进行主交换机的更替，同时能够对工作、备用链路进行状态检测，并对多个链路故障进行处理，提高了网络的可靠性、稳定性和健壮性。

Description

基于EPA交换机的双链路冗余控制方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术，具体涉及一种EPA网络的双链路冗余控制方法。

背景技术

工业以太网EPA（Ethernet for Plant Automation）是以太网、TCP/IP等商用计算机通信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备间的通信，并在此基础上，建立的应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台。其是一种全新的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准，将大量成熟的IT技术应用于工业控制系统，利用高效、稳定、标准的以太网和UDP/IP协议的确定性通信调度策略，为适用于现场设备的实时工作建立了一种全新的标准。

由于EPA网络自身的特点，对EPA网络中的EPA交换机的可靠性、实时性等方面有着特殊的要求。如申请号为200710003041.6的中国发明专利申请“一种工业以太网快速冗余的实现方法”公开了一种单环网冗余方法,，仅设置一个主交换机负责控制网络逻辑结构，通过各交换机环端口状态切换实现环网冗余链路备份。这种冗余方法仅能够解决单点链路故障，一旦出现多点链路故障或者主交换机故障就会导致网络的不可用。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了基于EPA交换机的双链路冗余通信方法。相比以往的单环网冗余方法，本发明解决了多点故障导致网络不可用的问题，不需要进行提前配置，交换机能自主选择工作链路和备用链路，通过所述令牌周期性更替主交换机，同时能够保持对备用链路周期性的检测，减少了操作的复杂性，增加了网络的健壮性、适应性和可靠性。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出一种EPA交换机双链路冗余控制方法，EPA网络中EPA交换机之间通过两条链路组成双链路冗余环网，通过竞争机制选取主交换机，并确认与同一交换机相连的一对端口为同网段端口，主交换机发送配置帧来确定工作链路和备用链路，将网络修剪为无环路的拓扑结构，主交换机依次向从交换机传递令牌周期性更替主交换机，从交换机保留所述令牌后能够成为新的主交换机，原主交换机降为从交换机。同时主、备交换机对工作链路和备用链路进行周期性状态检测，在工作链路出现故障时，交换机改变端口状态，切换无故障的备用链路为工作链路。

交换机端口设置为如下三种状态：

1）禁用状态（Disabled）：关闭端口，不能接收和传输除了环路检测帧以外的所有数据、冗余控制帧和所述令牌。2）阻塞状态（Blocking）：处于阻塞状态的端口不转发数据帧但可接收和转发所述令牌，心跳帧（以下简称HELLO帧）、配置帧、链路警告、环路检测、链路检测等冗余控制帧。3）转发状态（Forwarding）：能接收和传输数据帧、冗余控制帧和所述令牌。

交换机通过竞争机制选取首个主交换机，并确认与同一交换机相连的一对端口为同网段端口，首个主交换机将从一对同网段端口分别发送配置帧。配置帧中带有链路代价值（COST值），此COST值根据发送端口带宽计算出来，带宽越大COST值越小。

首个主交换机在接收到相邻从交换机发送的配置帧后，将接收到COST值小的端口保持阻塞状态，从而使网络中不会形成环路，同时将接收到COST值大的端口转换为禁用状态。从交换机从一对同网段端口分别接收到配置帧后，比较两个配置帧中的COST值大小，选择收到COST值小的端口所连接的链路作为工作链路，另一个端口所连接的链路作为备用链路，如果在同一网段中两个COST值相同，则选择端口标识符小的为工作链路。同时从交换机回复一条配置帧告知上一交换机工作链路和备用链路的选取情况，并从另一对同网段端口发送带有本端口COST值的配置帧给下一个从交换机。从交换机将连接工作链路的端口转换为转发状态，将连接备用链路的端口转换为禁闭状态，从而完成网络的工作链路和备用链路选举过程。

首个主交换机在接收到相邻从交换机发送的配置帧后，将接收到COST值小的端口保持阻塞状态，从而使网络中不会形成环路，同时将接收到COST值较大的端口转换为禁闭端口，从而完成网络的工作链路和备用链路选举过程。

进一步地，主交换机从连接备用链路的两个端口周期性双向发送环路检测帧测试备用链路。每个从交换机在接收到环路检测帧后会从另一个连接备用链路的端口转发。每个交换机将等待接收分别来自相反的当前环端口两个环网检测帧，如果这些环路检测帧是从两个环端口接收到的，就表示备用链路没有发生故障，如果只从一个连接备用链路的端口接收到环路检测帧，未收到环路检测帧的端口所连接的备用链路出现故障，此时连接此备用链路的交换机就记录此次备用链路故障。

环网中的每一个交换机通过工作链路周期性发送链路检测帧到其相邻的两个交换机，用以检测工作链路状况。每个交换机将从它的两个相邻交换机接收到链路检测帧。如果任何一个交换机在一定时间内没有接收到来自一个当前环端口的链路检测帧，就表示此网段的工作链路出现故障。

交换机在发现工作链路出现故障后，会自行查找是否有此网段的备用链路故障记录，如果没有，则不需要主交换机的参与，直接将此网段上连接备用链路的端口状态转换为连接所述工作链路的端口状态，从而将备用链路转换为工作链路，同时将原工作链路降为备用链路。如果有备用链路故障记录，即可能是两条链路故障或者交换机故障，则交换机发送链路警告帧告知主交换机，主交换机再进行相应的处理。

交换机通过记录备用链路故障，减少了交换机在工作链路出现故障后需重新检测备用链路故障所花费的时间，提高了网络收敛时间。当多个网段的工作链路出现故障，交换机均可进行链路转换，完成多点故障处理。

进一步的，交换机通过传递令牌不断的更替主交换机，从而降低单一主交换机带来的风险。所述令牌具有当选主交换机的权限，环网中的交换机通过工作链路单向的依次转发所述令牌，从交换机获得所述令牌后能够成为新的主交换机，所述令牌可按照环网顺时针或者逆时针方向依次传递。

主交换机运行预定时间之后，将令牌从一个工作链路向下一个从交换机发送，从交换机接收到所述令牌后，根据自己的运行情况，判断是否保留所述令牌，如果自身没有出现异常情况或者故障，保留所述令牌，并将自己提升为主交换机，然后通过工作链路多点发送响应消息给原主交换机，告知原主交换机已收到令牌，原主交换机在接收到响应消息后降低自己为从交换机。如果交换机自身出现异常情况或者故障，则将所述令牌从另一连接工作链路的端口转发给下一个从交换机。所述令牌在交换机中依次传递，每一个接收到所述令牌的从交换机均按上述方法进行判断能否成为新的主交换机，从而达到了依次更替主交换机的目的。

所述令牌采用以太网格式进行封装，包含有当前主交换机的标识符、MAC地址等信息，当从交换机当选为新的主交换机时，更新所述令牌中的当前主交换机信息为本交换机的信息。

当所述令牌转发方向上交换机所连接工作链路出现故障时，若同网段上备用链路已经转换为工作链路，则不改变方向转发所述令牌，否则改变转发所述令牌的方向。当交换机在转发所述令牌时发现转发方向上所连接的两条链路均出现故障时，则改变转发方向转发所述令牌。

主交换机在预先设置的时间内未接收到使自己降为从交换机的响应报文，则认为令牌在传递过程中丢失，主交换机则重新发送令牌。当主交换机重新发送次数大于预先设置的阈值后，仍未收到使自己降为从交换机的响应报文，则下一交换机出现故障，主交换机改变令牌的转发方向发送令牌。

本发明的双链路冗余控制方法，交换机之间组成双环网，解决了环网中出现多点链路故障无法处理的问题，增加了网络的可靠性。在双链路环网的组网过程中，交换机能够自主的选择主从交换机、工作链路和备用链路，完成正常通信前的自动配置，减少了人工配置带来的复杂操作。在正常通信的时候，通过在交换机中依次转发令牌来周期性更替主交换机，防止了主交换机在出现故障后造成整个网络瘫痪的情况。交换机通过对备用链路的周期性检测，能够对备用链路故障进行定位和记录，在工作链路出现故障后，交换机能够迅速切换无故障的备用链路为工作链路，提高了网络的收敛时间，保证了网络的正常通信。

附图说明

图1 初始化选取主交换机流程图；

图2 选取工作链路和备用链路流程图；

图3 正常运行情况下环网拓扑图；

图4 正常通信时令牌转发示意图；

图5 交换机通过令牌选取主交换机流程图；

图6 同一网段工作、备用链路故障时令牌转发示意图；

图7 单个故障的双链路环网拓扑图；

图8 多个链路故障的双链路环网拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

本实施例是基于EPA协议的工业以太网交换机（以下简称EPA交换机），针对EPA网络自身的特点，保证EPA现场设备以及EPA网段之间的通信的可靠性和安全性。

如图1所述，网络初始化过程中，采用竞争机制选取首个主交换机，确定同网段端口。通常可选取MAC值最小的交换机为首个主交换机，与同一交换机相连接的一对端口为同网段端口。

具体可为，所有环上的EPA交换机上电后，初始化其四个活动环端口状态为阻塞状态。交换机通过改写端口的状态配置寄存器，来完成端口状态的转换。将端口的状态配置寄存器分别置为00、01、10对应端口状态为转发状态、阻塞状态和禁闭状态。

每个交换机启动后向相邻的交换机发送HELLO帧。当收到另一个交换机发来的HELLO帧后，若发现收到的HELLO帧中的MAC字段的值大于该交换机的MAC值，则丢弃该帧，否则更新为该交换机的MAC值，然后以新值继续广播发送HELLO帧。最终，选举出MAC值最小的交换机为首个主交换机，同时确认与同一交换机相连接的一对端口为同网段端口。主交换机将自己的交换机标识设置为1，而从交换机将自己的交换机标识设置为0。

如图2所示，主交换机将从一对同网段端口单向发送配置帧，根据COST值。根据端口带宽计算发送端口的COST值，加入待发送的配置帧中，从交换机从一对同网段端口接收到配置帧后，比较两个配置帧中COST值的大小，选择配置帧中COST小的链路作为工作链路，另一条配置帧中COST大的链路作为备用链路，如果在同一网段中两个COST值相同，则选择端口标识符小的为工作链路。同时交换机回复一个配置帧告知上一交换机工作链路和备用链路的选取情况，并且从另一对同网段端口发送带有本端口COST值的配置帧给下一个交换机。各交换机将连接工作链路的端口和其余连接设备的端口转换为转发状态，将连接备用链路的端口转换为禁闭状态。

主交换机在接收到自己发送的配置帧后，将接收到配置帧中COST和值小的端口保持阻塞状态，同时将接收到COST和值大的端口转换为禁闭端口。形成如图3所示的拓扑结构。主交换机从连接备用链路的两个端口双向发送环路检测报文，测试备用链路故障，每个从交换机接收到环路检测报文后，从连接备用链路的端口向下一个交换机转发。如果是从两个环端口接收到这些环路检测报文，表示备用链路没有发生故障。如果只从一个连接备用链路的端口接收到环路检测报文，就说明未收到环路检测帧的端口所连接的备用链路出现故障，此时连接此备用链路的交换机就记录此备用链路故障。

环网中的每一个交换机通过连接工作链路的环端口周期性的发送链路检测报文到其相邻的两个交换机。链路检测报文用来检测运行状态中工作链路故障。每个交换机将从与它相邻的两个交换机接收链路检测帧，如果交换机从某一当前端口接收到链路检测帧，表示与该端口连接的相邻交换机之间无故障，否则，任一交换机在预定时间内没有接收到来自当前环端口的链路检测帧，表示交换链路或相邻交换机故障。

如图4所示，在正常通信的时候，主交换机在运行一段预置时间T1（一般设置T1为1min）后通过工作链路向相邻从交换机发送令牌，环网中交换机依次单向转发令牌。

如图5所示交换机通过令牌选取主交换机流程图，从交换机从一个连接工作链路的端口接收到令牌后，根据自己的运行情况，判断是否保留所述令牌。如果从交换机自身没有出现异常情况或者故障，保留所述令牌，将自己的交换机标识设置为1，提升自己为主交换机，然后发送一个响应报文给原主交换机，原主交换机接收到响应报文后将自己的交换机标识设置为0，从而降低为从交换机；如果从交换机自身出现异常情况或者故障，则直接将所述令牌转发给下一个从交换机。

如图6所示备用链路故障时令牌转发示意图，当从交换机B在转发令牌时，发现转发方向上所连接的两条链路均出现故障，则改变令牌的转发方向并发送所述令牌，将令牌转发给交换机A。当转发方向上仅交换机所连接的工作链路出现故障，触发此网段的备用链路转换为工作链路后，不改变转发方向转发所述令牌。主交换机在预先设置的时间T2内未接收到使自己降为从交换机的响应报文，则重新发送令牌，一般设置时间T2为T1的两倍，若连接的交换机过多，增大时间T2。当主交换机重新发送次数大于预先设置的阈值后仍未收到使自己降为从交换机的请求报文，则改变令牌的转发顺序并转发所述令牌。

交换机通过改写端口的状态配置寄存器，来完成端口状态的转换，从而完成工作链路和备用链路的切换。如图7所示单个故障的双链路环网拓扑图，当工作链路出现故障时，两相邻交换机A和B在周期时间内不能收到链路检测报文，同时，两交换机依据备用链路故障检测结果查找自己是否有此网段上备用链路故障记录，如果没有备用链路故障记录，即此网段上的备用链路没有出现故障或者断开，则连接此网段的两交换机将此网段连接工作链路的端口的状态配置寄存器置为01，转化为阻塞状态，同时将此网段连接备用链路的端口的状态配置寄存器置为00，状态转化为转发状态，从而将备用链路转换为工作链路。

如图8所示，如果之后此网段的备用链路再次出现故障，则两交换机将连接备用链路的端口的状态配置寄存器置为10，转化为禁闭状态。如果有备用链路的故障记录，即备用链路在工作链路出现故障前就发生故障，则两交换机直接将此网段连接工作链路的端口状态转化为阻塞状态，并保持连接备用链路的端口状态不变。

当同一网段的工作链路和备用链路均出现故障，两个交换机分别从另外两个端口向网络中发送链路警报帧。网络中端口状态为阻塞状态的交换机接收到链路警报帧后将此端口状态转为转发状态。主交换机接收到链路警报帧，向全网发送链路变化帧。每个交换机收到链路变化帧后，刷新自己的MAC地址表，从而形成新的拓扑结构。

若在一个网段中工作链路或备用链路发送故障，则当故障的工作链路或备用链路恢复正常时，连接此网段的交换机的端口保持不变，交换机删除此网段的链路故障记录。

若一个交换机接入环网的链路均出现故障，即交换机不再连在环网中，当链路恢复正常时，交换机收到相邻交换机发送的链路检测帧，从而将一个阻塞状态的端口转换为转发状态，其他端口状态保持不变。同时交换机向网络中相邻交换机发送设备声明帧，相邻交换机在收到设备申明帧后，将端口状态的阻塞状态端口转换为转发状态。

Claims (8)

1.基于EPA交换机的双链路冗余通信方法，其特征在于：网络中EPA交换机之间通过两条链路首尾相连组成双链路冗余环网，通过竞争机制选取主交换机，并确认与同一交换机相连的一对端口为同网段端口，主交换机发送配置帧确定工作链路和备用链路，将网络修剪为无环路的拓扑结构，主交换机依次向从交换机传递令牌周期性更替主交换机，从交换机保留所述令牌后能够成为新的主交换机，原主交换机降为从交换机，同时交换机对工作链路和备用链路进行周期性状态检测，在工作链路出现故障时，交换机改变端口状态，切换无故障的备用链路为工作链路。

2.根据权利要求1所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：交换机端口设置为如下三种状态：1）禁用状态：不能接收和传输除了环路检测帧以外的所有数据帧、冗余控制帧和所述令牌；2）阻塞状态：不转发数据帧但接收和转发所述令牌，冗余控制帧；3）转发状态：接收和转发数据帧、冗余控制帧和所述令牌，首个主交换机在接收到相邻从交换机发送的配置帧后，将接收到COST值小的端口保持阻塞状态，从而使网络中不会形成环路，同时将接收到COST值大的端口转换为禁用状态。

3.根据权利要求1所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：首个主交换机从一对同网段端口分别发送带有链路代价COST值的配置帧，从交换机从一对同网段端口分别接收到配置帧后，比较两个配置帧中COST值的大小，选择收到COST值小的端口所连接的链路作为工作链路，另一个端口所连接的链路作为备用链路，如果在同一网段中两个COST值相同，则选择端口标识符小的为工作链路。

4.根据权利要求1所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：主交换机通过工作链路向从交换机发送令牌，如果从交换机自身没有出现异常情况或者故障，保留所述令牌，提升自己为新的主交换机，并发送响应消息给原主交换，原主交换机降低为从交换机，如果从交换机自身出现异常情况或者故障，则不保留所述令牌，将所述令牌转发给下一个从交换机。

5.根据权利要求3所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：根据发送端口带宽计算COST值，带宽与COST值成反比。

6.根据权利要求3所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：在选择出工作链路和备用链路后，交换机将连接工作链路的端口转换为转发状态，将连接备用链路的端口转换为禁闭状态。

7.根据权利要求4所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：主交换机在预定时间内未接收到响应消息，则重新发送令牌，当重新发送令牌的次数大于预先设置的阈值后仍未收到响应消息，则改变所述令牌的转发方向。

8.根据权利要求4所述的双链路冗余通信方法，其特征在于：当转发方向上交换机所连接工作链路出现故障，等待此网段的备用链路转换为工作链路后，不改变转发方向转发所述令牌，当转发方向上自己所连接的工作链路与备用链路均出现故障时，则改变所述令牌的转发方向。

Images