CN102710482A - 一种环网保护的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环网的保护方法及装置，该方法应用于环网的第一主节点上，用以保护环网与中心网络之间的业务传输，该环网还包括第二主节点以及多个传输节点，该方法包括：A、第一主节点从自身主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文；B、第一主节点从自身副端口接收第二主节点发送的探测报文；C、当第一主节点未能在预设时间内收到第二主节点发出的探测报文时，第一主节点将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，并从副端口向环上发出地址刷新报文。本发明能有效规避环网中主节点两侧均发生故障而引发业务流量中断的问题。

Description

一种环网保护的方法及装置

技术领域

本发明涉及环网保护，尤其涉及一种环网上的业务流量的保护方法及装置。 

背景技术

在高速公路上，因为交通管理的需要，可能需要在不同的地点布设监控设备。现有技术中会采用环形组网的方式将多个视频监控设备(如编码器)连接起来。如图1所示，首先，所有的视频监控数据报文(也称为业务报文)都从节点A转发到监控中心网络去存储或者供用户查看，这导致节点A需要处理大量的报文转发工作，容易成为故障点；事实上越靠近节点A，数据报文的流量越大，这种机制没有合理均衡地运用光纤链路资源，有的地方流量过大，有的地方则可能流量很小，其根本原因是环形网络为了避免广播风暴，需要阻塞掉一个端口(通常是主节点的副端口)，因此业务流量通常会沿着一个方向进行转发，如图1带箭头的线条。每个节点都会产生视频监控数据，于是业务流量就会在转发方向上不断累加。 

在实际工程建设中，节点A到节点F的两根光纤通常不是分别埋在高速公路两边的，而是埋在高速公路中间的隔离带里，而且两根光纤通常在同一个保护性套管里进行布线。在这种情况下，一旦光纤资源出现损坏，通常会导致两根光纤同时损坏。请参考图2，假设一次交通事故导致节点C和D之间的光纤损坏，此时节点I和H之间的光纤也会损坏，因为两根光纤是布设在同一个保护性套管里面的。此时节点D、E、F、G、H都成为孤岛，这些节点采集到的视频监控数据报文无法通过节点A传输回监控中心网络。 

要解决上述两个问题，可以采用星形组网技术，即高速公路上的多个监控设备都连接到监控中心网络去。然而高速公路的距离很长，可能达到几百乃至上千公里，如果很多个视频监控编码设备都通过光纤连接到监控中心网络，这样会浪费大量光纤资源，组网的成本很高，虽然可以进行一定的优化，然而用户的接受度仍然较低。如何在保护机制、链路资源均衡利用以及组网成本三个因素上取得较佳的平衡是目前业界所面临的技术难题。 

发明内容

有鉴于此，本发明一种环网的保护方法，该方法应用于环网的第一主节点上，用以保护环网与中心网络之间的业务传输，该环网还包括第二主节点以及多个传输节点，所述第一及第二主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述第一主节点的主端口与第二主节点的副端口在环网上互为对端端口，所述第一主节点的副端口与第二主节点的主端口在环网上互为对端端口，且第一及第二主节点均包括连接至中心网络的环下端口；该方法包括： 

A、第一主节点从自身主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文； 

B、第一主节点从自身副端口接收第二主节点发送的探测报文； 

C、当第一主节点未能在预设时间内收到第二主节点发出的探测报文时，第一主节点将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，以允许报文通过该副端口并经由环下端口到达中心网络，并从副端口向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。 

本发明还提供一种环网的保护装置，该保护装置应用于环网的第一主节点上，该环网还包括第二主节点以及多个传输节点，所述第一及第二主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述第一主节点的主端口与第二主节点的副端口在环网上互为对端端口，所述第一主节点的副端口与第二主节点的主端口在环网上互为对端端口，且第一及第二主节点均包括连接至中心网络的环下端口；该装置包括： 

控制报文处理单元，用于从主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文并从副端口接收第二主节点发送的探测报文； 

切换单元、用于在预设时间内没有收到第二主节点发出的探测报文的情况下，将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，以允许报文通过该副端口并经由环下端口到达中心网络；并从副端口向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。 

本发明巧妙地向单个环网中引入新的主节点，通过两个主节点的配合实现了环网正常状态下业务流量分担的效果，同时实现了主节点两侧均发生故障时下业务流量转发不中断的技术效果；而且技术改造的难度小，不需要对环网协议进行过多改动。由于本发明不需要改动环上的传输节点，因此容易在实际网络中实施，对现有环网的改造成本极低。 

附图说明

图1是现有技术中环网正常状态下的业务转发示意图； 

图2是现有技术中环网出现故障时的业务转发示意图； 

图3是本发明一种实施方式下环网正常状态下的业务转发示意图； 

图4是本发明一种实施方式下的硬件架构图； 

图5是本发明一种实施方式下的逻辑结构图； 

图6是本发明一种实施方式下环网出现故障时的业务转发示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。本发明通过改进现有环形组网中的网络协议控制机制来解决上述技术问题。在以下的介绍中以以太环网为例进行介绍。请参考图3至图6，图3所示是本发明环网中各个节点的基本硬件结构，图4是本发明在计算机程序实现的实施方式中，从逻辑层面抽象出本发明环网保护装置的逻辑结构图，其包括业务处理单元、转发单元、控制 报文处理单元以及切换单元。其中进行业务处理的硬件可能是各种芯片，比如视频监控设备中的编解码芯片。当然这些硬件也可能不存在，在一些实现方式中数据的编解码处理以及报文转发工作可以由CPU来执行，而控制类报文(比如网络协议报文)通常由CPU来处理。 

在本发明一个典型的实施方式中，环网包括两个主节点(第一及第二主节点)以及多个传输节点，这两个主节点在本发明中是对等的。在本实施方式中，这些节点是视频监控编码设备。每个节点都包括两个环上端口。对于主节点来说，其两个环上端口分别为主端口以及副端口。参见图3，在本发明实施时，第一主节点A的主端口P1与第二主节点F的副端口P11被配置为环网上互为对端的端口，第一主节点A的副端口P2则需要配置为与第二主节点F的主端口P12在环网上互为对端端口，本发明所说互为对端端口是指：从链路层面来看，两个端口位于环网链路(链路上可能有传输节点)的两端。参图3，环网链路1从第一主节点A的P1端口起到第二主节点F的P11端口止，环网链路2从第一主节点的P2端口起到第二主节点F的P12端口止。在优选的实施方式中，第二主节点是与第一主节点之间距离最远的节点，或者是与第一主节点的主端口的距离最接近于其与第一主节点副端口距离的节点，比如与第一主节点的主端口的距离等于与其与第一主节点的副端口的距离。这样的设置可以允许第二主节点在环网正常或者故障时都更加均衡地服务传输节点，使得流量更加均衡地被分担起来。 

第一及第二主节点均包括至少一个环下端口，该环下端口上行连接到监控中心网络。监控摄像头采集的数据通常先经由视频监控编码设备进行编码处理后，将数据封装在数据报文中通过环网传输到达各主节点，然后通过主节点的环下端口传输到监控中心网络，这样视频图像可以在用户的显示终端进行显示或者存储到网络存储设备的磁盘中。参图3，从视频数据传输角度，节点B、C、D、E的视频监控业务报文将传输到第一主节点A，第一主节点A再通过环下端口传输到监控中心网络；节点G、H、I、J的视频监控业务报文将传输到第二主节点F，第二主节点F再通过环下端口传输到监控中心 网络。以上是视频监控业务的数据采集及传输的基本过程。当然，监控中心网络的服务器或其它终端设备可能会与环上的视频监控编码设备进行监控业务的信令交互，信令数据封装在信令报文(也称为业务控制报文，即业务层面的控制报文)中通过环网传输。本发明中，无论是视频监控业务的数据报文还是信令报文均由业务处理单元进行处理，它们对于环网来说均是其需要传输的业务对象，因此统称为业务报文(从环网层面来看的)。而对于环网来说，其上运行的环网协议报文是为了确保环网能够正确运行对外提供服务，因此称为网络协议控制报文。图4所示的转发单元主要是负责报文转发的，除了本地产生的业务报文之外，节点可能还会收到从其他节点或者监控中心网络发送过来的业务报文，这些报文转发单元依据MAC转发表进行转发。在具体实现上可以通过各种底层的以太网转发芯片(业务硬件的一种)实现，当然目前也有一些厂商尝试通过CPU来实现的以太网报文的转发工作。 

在网络正常运转的情况下，本发明两个主节点的副端口(P2以及P11)均处于阻塞状态，可以防止二层广播风暴的产生，然而更为重要的是，本发明在一个环网(比如一个RRPP域)中设置两个主节点，阻塞掉两个端口可以将流量有效地分担开来。现有技术阻塞端口的目的主要是防止广播风暴，为了达到这个目的，在一个环内只要阻塞一个主节点的一个副端口即可，并不需要设置两个主节点并同时阻塞两个端口。需要说明的是，所谓的阻塞状态通常是针对业务报文而言的，比如视频监控业务数据或者信令数据。处于阻塞状态的副端口依然可以接收包括探测报文在内的各种控制报文，比如RRPP Hello报文等。从实现上讲，可以将业务报文以及控制报文划分到不同的VLAN中进行承载，阻塞掉业务VLAN所承载的报文即可实现，比如下发ACL等方式。 

在两个副端口(P2以及P11)被阻塞之后，经过MAC自动地址学习之后，节点BCDE发往监控中心的报文自然会沿着链路1通过节点A转发到监控中心，而节点GHIJ的监控中心的报文自然会沿着链路2通过节点F转发到监控中心，在正常情况下，各个节点对同一个目的地址的报文的转发方向 是确定的。这样一来，网络正常运转的情况下，业务报文的转发被分担到两个出口，有效避免了单个节点转发任务过重可能引起的故障风险提高以及带宽瓶颈等问题。 

以上是网络处于正常运转情况下本发明的基本业务过程。为了对业务过程进行保护，确保业务流量(一个或者多个业务报文)在可光纤故障的情况下仍然能够到达中心网络(如监控中心网络)，本发明在控制层面提供了有效的保护机制。一旦发生光纤损坏或者设备故障等异常事件时，本发明能够及时地控制网络对业务报文的转发，避免丢失数据。以下将描述控制层面的处理，来详述本发明如何对环网上的业务进行保护的。本发明通过两个主节点在控制层面的配合来实现的，由于第一和第二主节点的处理机制是相同的，为了更为简洁地描述本发明，以下仅仅从第一主节点角度来进行描述。 

步骤101，第一主节点从自身主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文； 

步骤102，第一主节点从自身副端口接收第二主节点主端口发送的探测报文。步骤101以及102由控制报文处理单元负责执行。

步骤101及102中的探测报文是用来探测环网是否存在故障的探测报文(或者说Hello报文，如RRPP Hello)，这个报文按照预设的周期进行发送，这样做的目的是让主节点感知到两者之间链路的互通。在现有技术中，由于一个环内置有一个主节点，因此其主节点是通过自身主端口发送环路探测报文，自身的副端口用来接收环路探测报文。而本发明中的主节点则是通过自身的副端口来接收对端主节点的主端口发送的探测报文，在较佳的实施方式中，两个主节点发出的探测报文属于同一个VLAN。 

一旦第一主节点长时间(通常是一个预设的时间，比如3个Hello报文的周期)没有收到第二主节点发出的探测报文，则说明网络中可能出现了故障情况，如光纤断裂、有节点故障等。此时需要转103，即将这一情况上报给切换单元进行处理。控制报文处理单元可以通过刷新定时器的方式来感知对端主节点发出探测报文，如果收到探测报文就刷新定时器，如果定时器超 时了，说明环网出现了故障，此时可以立刻通知切换单元进行相应处理。这种设置定时器配合探测报文来感知网络故障的方式已经有了广泛的教导，不再一一细述。 

步骤103，当第一主节点未能在预设时间(定时器超时时间)内收到第二主节点发出的探测报文时，第一主节点将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，以允许业务报文通过该副端口并经由环下端口到达中心网络，并从副端口向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。 

步骤104，D、第一主节点的副端口的状态修改为开放状态后又收到第二主节点发送的探测报文时，第一主节点将副端口的状态由开放状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过；并向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。步骤103以及步骤104由切换单元执行。 

一旦确定了环网中出现故障事件，切换单元需要修改副端口的状态，并从副端口向着第二主节点主端口方向(其实就是故障源方向)发出地址刷新报文(如RRPP协议中的Common-Flush-FDB报文)。所述地址刷新报文是一个多播控制报文，沿途收到该报文传输节点会把报文上送到控制层面处理，执行地址刷新操作。在环网协议中，地址刷新通常包括删除掉当前的全部MAC转发表项或者相关MAC转发表项，当然也可以包括删除掉ARP表项。MAC地址转发表项被删除之后，传输节点无法依据目的MAC地址指导报文转发工作，新收到的单播业务报文对于传输节点来说就是未知单播报文，传输节点会将这个未知单播报文进行广播，通过对端回应的报文源地址学习重新学习到该MAC地址(即前述的目的MAC)。比如第一次发送给监控中心某个MAC地址的报文是未知的，只能通过广播发送，但是一旦该MAC地址回应报文以后，传输节点就可以通过源地址学习知道该MAC地址的出端口基本转发信息，传输节点即可建立起新的MAC转发表项。在MAC地址再次充分学习之后，传输节点对相同目的MAC地址的报文的转发方向就改变了， 即从故障源方向转变为第一主节点的副端口方向。 

请同时参考图3以及图6，在图3中，环网在正常运转的情况下，节点I以及节点J的业务报文是通过第二主节点(节点F)转发到监控中心网络的。而图6中，由于节点I与节点H之间的光纤出现故障。第一主节点(节点A)发送地址刷新报文改变了节点I以及节点J对单播业务报文的转发方向，节点I以及节点J将报文向第一主节点A方向发送进而转发监控中心网络。显然，如果第一主节点A没有从副端口发送地址刷新报文，那么节点I以及节点J还会依据原先的MAC转发表向着第二主节点方向转发单播报文，即向着故障源方向转发报文，如此一来报文无法到达目的地址，业务中断。 

如背景技术所述的那样，由于两根光纤布设在同一个保护性套管中，节点C与节点D之间的光纤可能会同时出现故障。此时基于同样的道理，由于第二主节点F与第一主节点A在环网保护上有着相同的功能特性，节点D以及节点E本来是通过第一主节点A将报文转发到监控中心网络的，但是在收到第二主节点F发出的地址刷新报文之后，节点D以及节点E对单播业务报文的转发方向也会改道，经由第二主节点F进而到达监控中心网络。 

同样的道理，当环网中的故障消除之后，第一主节点以及第二主节点将能够再次收到对方的发送的探测报文。此时由于两个副端口处于打开状态，业务报文将能够通过两个副端口，为了避免二层环路的产生，所以必须尽快修改将两个副端口状态修改为阻塞的状态以阻止业务报文通过从而阻塞两个副端口，从而以避免以太网二层环路导致的广播风暴。 

此时，由于副端口处于阻塞状态，这意味着业务报文将无法通过副端口。此时第一主节点与第二主节点可以再次通过发送地址刷新报文来改变传输节点对业务报文的转发方向。比如说，当图6中的光纤故障恢复之后，通过发送地址刷新报文，节点D、E、I、J的业务报文转发方向将再次改变，回到图3所示的情形。恢复切换的过程与前述故障切换的过程基本原理一致，不再一一细述。 

本发明巧妙地向单个环网中引入新的主节点，通过两个主节点的配合实 现了环网正常状态下业务流量分担的效果，同时实现了主节点两侧均发生故障时下业务流量转发不中断的技术效果；而且技术改造的难度小，不需要对环网协议进行过多改动。由于本发明不需要改动环上的传输节点，因此容易在实际网络中实施，对现有环网的改造成本极低。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (10)

1.一种环网的保护方法，其特征在于，该方法应用于环网的第一主节点上，用以保护环网与中心网络之间的业务传输，该环网还包括第二主节点以及多个传输节点，所述第一及第二主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述第一主节点的主端口与第二主节点的副端口在环网上互为对端端口，所述第一主节点的副端口与第二主节点的主端口在环网上互为对端端口，第一及第二主节点均包括连接至中心网络的环下端口；环网未发生故障时，第一主节点的副端口和第二主节点的副端口处于阻塞状态，第一主节点主端口和第二主节点副端口之间的传输节点通过第一主节点将业务报文传输到中心网络，第二主节点主端口和第一主节点副端口之间的传输节点通过第二主节点将业务报文传输到中心网络，该方法包括：

A、第一主节点从自身主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文；

B、第一主节点从自身副端口接收第二主节点发送的探测报文；

C、当第一主节点未能在预设时间内收到第二主节点发出的探测报文时，第一主节点将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，以允许报文通过该副端口并经由环下端口到达中心网络，并从副端口向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

D、第一主节点的副端口的状态修改为开放状态后又收到第二主节点发送的探测报文时，第一主节点将副端口的状态由开放状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过；并向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点为视频监控设备，用于对摄像头采集到的视频数据进行编码，其中所述业务报文封装的数据是编码后的视频数据。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测报文是用来探测环网是否发生故障的探测报文，所述第一主节点发出的探测报文与第二主节点发出的探测报文属于相同的VLAN。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二主节点是与第一主节点之间距离最远的节点，或者是与第一主节点的主端口的距离最接近于其与第一主节点的副端口距离的节点。

6.一种环网的保护装置，其特征在于，该保护装置应用于环网的第一主节点上，该环网还包括第二主节点以及多个传输节点，所述第一及第二主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述第一主节点的主端口与第二主节点的副端口在环网上互为对端端口，所述第一主节点的副端口与第二主节点的主端口在环网上互为对端端口，且第一及第二主节点均包括连接至中心网络的环下端口；环网未发生故障时，第一主节点的副端口和第二主节点的副端口处于阻塞状态，第一主节点主端口和第二主节点副端口之间的传输节点通过第一主节点将业务报文传输到中心网络，第二主节点主端口和第一主节点副端口之间的传输节点通过第二主节点将业务报文传输到中心网络，该装置包括：

控制报文处理单元，用于从主端口向第二主节点的副端口方向发送探测报文并从副端口接收第二主节点发送的探测报文；

切换单元、用于在预设时间内没有收到第二主节点发出的探测报文的情况下，将副端口上的状态由阻塞状态修改为开放状态，以允许报文通过该副端口并经由环下端口到达中心网络；并从副端口向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述切换单元进一步用于，在副端口的状态修改为开放状态后又收到第二主节点发送的探测报文时，将副端口的状态由开放状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过，并向环上发出地址刷新报文以指令收到该地址刷新报文的传输节点进行地址刷新，从而改变传输节点对业务报文的转发方向。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述节点为视频监控编码设备，该视频监控编码设备包括业务处理单元，用于对摄像头采集到的视频数据进行编码，其中所述业务报文封装的数据是编码后的视频数据。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述探测报文是用来探测环网是否发生故障的探测报文，所述第一主节点发出的探测报文与第二主节点发出的探测报文属于相同的VLAN。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二主节点是与第一主节点之间距离最远的节点，或者是与第一主节点的主端口的距离最接近于其与第一主节点的副端口距离的节点。

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