CN102624620A

CN102624620A - 一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统

Info

Publication number: CN102624620A
Application number: CN2012100626459A
Authority: CN
Inventors: 黄鹂声
Original assignee: SICHUAN YINHAITIANYI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SICHUAN YINHAITIANYI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: CN102624620B

Abstract

本发明提供了一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统，所述传输方法包括如下步骤：(1).各节点依次向交换机发送举手帧；(2).所述交换机依次向发出举手帧的节点发送时间片(timeslice)TS生成的令牌帧；(3).收到令牌帧的节点在对应的时间片(timeslice)TS内发送数据；所述系统包括：各节点和与各节点连接的交换机；所述节点包括判断单元和与其连接的举手帧发送单元；所述交换机设置时间片单元。本发明提供的基于令牌帧的以太网传输方法和系统，即能够充分利用通信信道，又确保了在数据传输过程中不会引起冲突。

Description

一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统

技术领域

本发明属于网络通信领域，具体涉及一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统。

背景技术

目前存在多种传输网技术：以太网、令牌网、时间驱动以太网(TTE)。

广泛使用的以太网是自由竞争网络，各个终端可以任意向网络发送数据包，网络向终端提供best-effort服务，造成终端之间的网络资源不公平，带宽滥用，链路拥塞，端到端服务质量无法保证的问题。

令牌网络采用令牌来控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。但令牌网最大的缺点是令牌的维护困难，必须设置专门的主机来检测和管理令牌，令牌的丢失会导致网络不可用的问题。

时间触发以太网(TTE)在以太网的基础上使用同步协议，采用时分多路方式，将信道的使用权划分为多个相等的时间片TS(timeslice)，每个节点在一个时间周期T内都能够获得一个时间片TS用于发送数据，从而保证各个节点的公平性和避免同时发送的冲突。该技术能够实现公平传输，也能够避免拥塞，但缺点在于时钟同步困难而且精度不高，而且空闲的节点会浪费大量的时间片TS，导致资源利用率不高。

在目前的传输网络环境下，现有的网络传输协议不能很好的利用通信信道，如何合理而方便地共享通信信道资源，为用户提供更加富有确定性、高效率的数据传输服务，成为研究的热点。

目前广泛使用的以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA/CD)机制。CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网络中的各个节点都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的节点同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：

1)监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止；

2)若没有监听到任何信号，就传输数据；

3)传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1(当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回到监听信道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点)

4)若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒(以10Mbps运行)。

以太网的这种尽力而为的工作方式会造成终端之间的网络资源不公平，带宽滥用，链路拥塞，端到端服务质量无法保证的问题。

令牌网使用一种标记数据作为令牌，它始终在环上传输。由A、B、C三台计算机组成的一个令牌网。如果A、B、C要同时往外发送数据包，就会形成冲突，所以必须要有令牌。哪台机器获得令牌便能发送数据，数据发送完成后，再把令牌送给要发送数据的那台机器。令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点计算机接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。令牌环网的缺点是需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，需要选择专门的节点监视和管理令牌。由于目前以太网技术发展迅速，令牌网存在固有缺点，令牌在整个计算机局域网已不多见。

时间驱动以太网(TTE)支持两种数据流：时间触发(TT)数据流和尽力而为(BE)数据流。对于具有较严格的时延、时延抖动和传输确定性要求的应用，采用时间触发消息机制。和TDMA类似，时间触发数据流的发送有固定的、事先已知的时间。在每个终端系统和TTE交换机中，会根据这个时间事先安排好一张调度表，调度表指明该终端系统预定在何时发送数据。在全网各站点都精确同步之后，通过这张调度表，能满足TT数据的无冲突(conflict-free)发送和接收，也就是说，TTE中的任意两个站点，在发送和接收TT数据的时候，能完全避免冲突。所有的TT数据都会在事先确定好的时间内发送和接收，并且具有比其他类型的数据流更高的优先级。如果终端或者TTE交换机在预定的时刻没有数据需要发送，TTE交换机可以把预留的时间和带宽让出来供其他类型的数据流使用。TTE也支持传统以太网的“尽力而为”数据流(BE)。BE数据流的传输没有任何带宽或时延方面的保证，优先级也低于TT数据流。该技术能够实现公平传输，也能够避免拥塞，但缺点在于时钟同步困难而且精度不高，而且空闲的节点会浪费大量的时间片TS，导致资源利用率不高。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统，即能够充分利用通信信道，又确保了在数据传输过程中不会引起冲突。

为实现上述目的，本发明提供一种基于令牌帧的以太网传输方法，在所述以太网中，各节点之间通过交换机传输数据，其特征在于，所述传输方法包括如下步骤：

(1).各节点依次向交换机发送举手帧；

(2).所述交换机依次向发出举手帧的节点发送时间片(timeslice)TS生成的令牌帧；

(3).收到令牌帧的节点在对应的时间片(timeslice)TS内发送数据；

其中，在以太网中，将一个时间周期T分解为n个长度相等的时间片TS，n为自然数。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，判断节点是否需要传输数据，需要传输数据的节点向所述交换机发送举手帧。

本发明提供的第二优选技术方案中，在所述步骤2中，所述交换机依次判断所有节点的“举手”状态，并向发送举手帧的节点发送令牌帧；所述交换机每发送一次令牌帧，都等待一个时间片TS，然后在下一个时间片TS继续发送令牌帧给下一个举手节点。

本发明提供的第三优选技术方案中，所述节点为IBM x3100 M3塔式服务器。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述交换机使用型号是华为Quidway S9306型号的交换机。

本发明提供的第五优选技术方案中，提供一种基于令牌帧的以太网传输系统，其包括：各节点和与各节点连接的交换机；其特征在于，所述节点包括判断单元和与其连接的举手帧发送单元；所述交换机设置时间片单元。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述判断单元对节点是否需要传输数据进行判断，如果节点需要传输数据，则控制所述举手帧发送单元向所述交换机发送举手帧。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述时间片单元包括节点举手判断单元和与其连接的令牌帧发送单元。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述节点举手判断单元依次判断所有节点的“举手”状态，并控制所述令牌帧发送单元向所述节点发送令牌帧。

与现有技术比，本发明提供的一种基于令牌帧的以太网传输方法和系统，在以太网中的每个节点如果需要传输数据，则只要举手，就能够确保在一个时间周期T内获得发送权；本方法和系统采用时分多路方式，将信道的使用权划分为多个相等的时间片TS，每个已举手节点在一个时间周期T内都能够获得一个时间片TS用于发送数据，从而保证各个节点的公平性；而且，在本方法和系统中，交换机将“令牌”帧按顺序依次传递给已举手的节点，“令牌”帧实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道，节点只有收到“令牌”帧后才能发送数据，因此不会在数据传输时发生冲突；资源利用率高，如果100个节点但只有1个节点发数据，则交换机每次都会跳过99个未举手节点，把令牌交给那个需要发送的节点，避免了资源浪费；还有，本方法和系统引入了“举手”机制，节点只有在需要发送数据时，才会向交换机发送“举手”帧，交换机只为发送了“举手”帧的节点分配时间片TS，从而大大提高了资源利用率；再者，交换机在每个时间片TS生成新的“令牌”帧，不需要对令牌进行维护，本方法和系统中节点和交换机都不需要对令牌进行维护，交换机在每个时间片TS会为已举手节点生成一个新的“令牌”帧，从而提高了网络的可靠性。

附图说明

图1为时间片划分示意图。

图2为基于令牌帧的以太网工作流程图。

图3为交换机在每个时间片TS向已举手的节点发送令牌帧的示意图。

具体实施方式

为了能够充分利用通信信道，又要确保数据传输过程不会引起冲突，我们提出了一种新的以太网数据传输方法--基于令牌帧的确定性以太网传输方法。

该方法采用了令牌和TTE的思想，在以太网中，将一个时间周期T分解为若干长度相等的时间片TS，引入“举手”和“令牌”机制，定义两个角色：节点和交换机。节点如果需要传输数据，则向交换机发送一种“举手”帧，以太网交换机收到这个帧，就知道该节点需要发送数据。然后交换机依次给已经举手的节点发“令牌”帧，收到“令牌”帧的节点在当前时间片TS内发送自己的数据。该技术能够实现公平传输，避免拥塞且不会为空闲的节点浪费大量的时间片TS，从而最大程度的利用通信信道完成数据的传输。

实施例：

在以太网的基础上，借鉴令牌和TTE的思想，发明一种时间驱动的集中令牌网。采用星形网络拓扑结构。在以太网中，将一个时间周期T分解为若干长度相等的时间片TS(图1)，引入“举手”和“令牌”机制，定义两个角色：节点和交换机。其具体工作方式如图2所示：

1)节点如果需要传输数据，则向交换机发送一种“举手”帧，以太网交换机收到这个帧，就知道该节点需要发送数据。

2)交换机在每个时间片TS生成“令牌”帧并依次给已经举手的节点发送。

交换机发送“令牌”帧的规则是：公平地依次检查所有节点的“举手”状态，如果举手，就发送令牌，未举手则跳过。每发送一次令牌，都等待一个时间片TS，然后在下一个时间片TS继续发令牌给下一举手节点。如图3所示。

3)收到“令牌”帧的节点在当前时间片TS内发送自己的数据。

如图3所述，基于令牌帧的以太网传输系统，其包括：各节点和与各节点连接的交换机；其特征在于，所述节点包括判断单元和与其连接的举手帧发送单元；所述交换机设置时间片单元。

所述判断单元对节点是否需要传输数据进行判断，如果节点需要传输数据，则控制所述举手帧发送单元向所述交换机发送举手帧。所述时间片单元包括节点举手判断单元和与其连接的令牌帧发送单元。所述节点举手判断单元依次判断所有节点的“举手”状态，并控制所述令牌帧发送单元向所述节点发送令牌帧。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims

1.一种基于令牌帧的以太网传输方法，在所述以太网中，各节点之间通过交换机传输数据，其特征在于，所述传输方法包括如下步骤：

(1).各节点依次向交换机发送举手帧；

2.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，在所述步骤1中，判断节点是否需要传输数据，需要传输数据的节点向所述交换机发送举手帧。

3.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述交换机依次判断所有节点的“举手”状态，并向发送举手帧的节点发送令牌帧；所述交换机每发送一次令牌帧，都等待一个时间片TS，然后在下一个时间片TS继续发送令牌帧给下一个举手节点。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的传输方法，其特征在于，所述节点为IBM x3100 M3塔式服务器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的传输方法，其特征在于，所述交换机使用型号是华为Quidway S9306型号的交换机。

6.根据1-5项权利要求任一项所述的基于令牌帧的以太网传输方法的基于令牌帧的以太网传输系统，其包括：各节点和与各节点连接的交换机；其特征在于，所述节点包括判断单元和与其连接的举手帧发送单元；所述交换机设置时间片单元。

7.根据权利要求6所述的传输系统，其特征在于，所述判断单元对节点是否需要传输数据进行判断，如果节点需要传输数据，则控制所述举手帧发送单元向所述交换机发送举手帧。

8.根据权利要求6所述的传输系统，其特征在于，所述时间片单元包括节点举手判断单元和与其连接的令牌帧发送单元。

9.根据权利要求8所述的传输系统，其特征在于，所述节点举手判断单元依次判断所有节点的“举手”状态，并控制所述令牌帧发送单元向所述节点发送令牌帧。