CN102710492A - 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辅助节点上，环网的主节点以及辅助节点均包括连接中心网络的环下端口，该方法包括：辅助接点收主节点的主端口以及副端口发出的探测报文；当辅助节点未能在预设时间内收到主节点发出的探测报文时，将自身连接到中心网络的环下端口的状态由阻塞状态修改为开放状态；执行辅助节点自身的地址刷新操作并向主端口方向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。本发明可以有效规避环网两侧故障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监控设备(如编码器)连接起来，如图1所示。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之心网络，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。如何解决这个问题是目前业界所面临的技术难题。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种环网的保护方法，该方法应用于环网的辅助节点上，该环网还包括主节点以及多个传输节点，所述主节点均包括位于 环上的主端口及副端口，所述主节点以及辅助节点均包括连接中心网络的环下端口，该方法包括： 

A、辅助接点从自身的两个环上端口分别接收主节点的主端口以及副端口发出的探测报文； 

B、当辅助节点未能在预设时间内收到主节点主端口以及副端口发出的探测报文时，将自身连接到中心网络的环下端口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环下端口到达中心网络；执行辅助节点自身的地址刷新操作并沿着环网向主节点主端口方向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，该装置应用于环网的辅助节点上，该环网还包括主节点以及多个传输节点，所述主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述主节点以及辅助节点均包括连接中心网络的环下端口，其特征在于，该装置包括： 

控制报文处理单元，用于从环上接收主节点的主端口及副端口发送的探测报文； 

切换单元，用于未能在预设时间内收到主节点发出的探测报文时，将辅助接点连接到中心网络的环下端口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环下端口到达中心网络；该切换单元进一步用于执行辅助节点自身的地址刷新操作并沿着环网向主节点主端口方向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。 

本发明中辅助节点的设计可以有效地规避环网上两侧故障引发的业务流量中断的风险，并且可以有效地识别出单侧故障与两侧故障之间的区别，并进行不同的处理。本发明不涉及对环网协议的修改，也不需要改造传输节点，在现有的环网中实施起来也非常容易，同时实现了环网多点故障状态下业务流量转发不中断的技术效果。 

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的硬件架构图； 

图4是本发明一种实施方式下的逻辑结构图； 

图5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协议控制机制来解决上述技术问题。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，从逻辑层面抽象出的逻辑结构图。其中业务硬件可能是各种芯片，比如视频监控设备中的编解码芯片。当然业务硬件也可能不存在，数据业务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。 

本发明应用于环网中的辅助节点上。在本发明一个典型的实施方式中，环网包括主节点、辅助节点以及多个传输节点。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。在优选的实施方式中，辅助节点是与主节点之间距离最远的节点，或者是与主节点的主端口的距离最接近于其与副端口距离的节点，比如与主节点的主端口的距离等于与主节点的副端口的距离。这样的设置可以允许辅助节点在环网故障时更加均衡地服务多个传输节点向监控中心网络传输视频流的需求，使得流量更加均衡地被分担起来。主节点以及辅助节点均包括至少一个环下端口，两个环下端口均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，将编码后的数据封装在数据报文中通过环网传输到达主节点，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。以上是视频监控业务的数据采集及传输的基本过程。当然，监控中心网络可能会与视频监控编码设备进行信令交互，相关的信令数据则封装在信令报文(也称为业务控制报文)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。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，因此称为控制报文。图4所示的转发单元主要是负责以太网报文转发的，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以太网报文，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，本发明主节点的副端口(P2)处于阻塞状态，这样可以防止二层广播风暴的产生；而辅助节点上连接至中心网络的的环下端口(P11)也处于阻塞状态，这样可以防止环网与中心网络之间形成环路而导致广播风暴的问题。本发明让辅助节点也连接到中心网络，这样可以为环网到中心网络提供备份的业务传输通道。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，处于阻塞状态的副端口依然可以接收探测报文，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，比如通过下发ACL来实现，各种实现方式在本领域已经有广泛的教导，此处不再细述。 

环网无故障时，主节点的副端口(P2)以及辅助节点的环下端口(P11)被阻塞之后，经过MAC自动地址学习之后，节点B、C、D、E、F、H、I和J中各个节点对于需要转发到监控中心网络的报文自然会向主节点A方向 转发，通过节点A连接中心网络的环下端口转发到监控中心。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，需要控制层面提供有效的保护机制。一旦发生光纤损坏或者设备故障等异常事件时，需要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。本发明通过主节点和辅助节点在控制层面的配合来实现的，具体如下实现步骤： 

步骤101，主节点分别从自身主端口以及副端口向环上发出探测报文，并从副端口以及主端口接收自身发出的探测报文； 

步骤102，辅助接点从自身的两个环上端口分别接收主节点的主端口以及副端口发出的探测报文；步骤102由控制报文处理单元执行。 

主端口发出的探测报文通常是用来探测环网是否存在故障的探测报文(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环网是否存在故障，一旦主节点在预定时间(如3个RRPP Hello周期)内没有收到该探测报文，则主节点会启动环网保护机制，将副端口从阻塞状态修改为开放，并发出地址刷新报文以指令传输节点删除MAC转发表，通过重新学习MAC地址构建新的MAC转发表，这样一来环上收到地址刷新报文的传输节点对同样报文的转发方向将会因此而改变。主节点的以上处理可以参考现有技术，本发明不再一一细述。 

控制类报文(比如前述探测报文或者其他协议报文)的处理不同于业务报文，其通常需要上送上送到软件层面(控制报文处理单元)进行处理，让控制报文处理单元“感知到”探测报文的一直都存在。控制报文处理单元可以通过刷新定时器的方式来执行对探测报文的“感知”操作，然后再指示转发单元将探测报文转发出去，最后达到主节点的副端口。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。本发明中，辅助节点需要探测是否环上端口的两侧是否都发生故障，由于步骤101中主节点的主端口以及副端口都会发送探测报文，因此对于辅助节点来说， 如果仅仅是环网单侧故障(无论单侧有几个故障点)，辅助节点还是会收到探测报文。 

步骤103，当辅助节点未能在预设时间(即前述定时器超时时间)内收到主节点从主端口以及副端口发出的探测报文时，将自身连接到中心网络的环下端口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环下端口到达中心网络；执行地址刷新操作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104，辅助节点在将自身连接到中心网络的环下端口的状态由阻塞状态修改为开放状态后又收到主节点发送的探测报文时，将该环下端口的状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过该环下端口到达中心网络；执行地址刷新操作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。 

一旦环网中出现故障事件，辅助节点的控制报文处理单元可能将无法收到探测报文，定时器会超时，此时切换单元根据控制报文处理单元的通知将连接到中心网络的环下端口的状态由阻塞状态修改为开放状态，此时对于环网来说又多了一条通往中心网络的通路。环网无故障时，辅助节点通过主节点将报文转发到中心网络的，环网故障时，同一套管处的两根光纤同时断裂，由于辅助节点到达主节点的路径不通，于是辅助节点首先需要对自身进行地址刷新，改变自己对业务报文的转发方向，否则无法使得业务报文被正确地转发到中心网络去。 

对于环上受到故障影响的传输节点，同样需要进行地址刷新，辅助节点从沿着环网向主节点的主端口方向发出地址刷新报文(如RRPP协议中的Common-Flush-FDB报文)。发送这个报文的目的是让那些位于辅助节点与主节点主端口之间的传输节点(如图6中的节点D和E)不再继续将业务报文往主节点方向转发。但是对于辅助节点与主节点副端口之间的传输节点(比 如图4中的节点H以及节点G)，可以不发送地址刷新报文，因为这些传输只要保持原来的转发方向即可，因为此时辅助接点连接到中心网络的环下端口已经打开，所以对这些传输节点的业务转发没有影响。 

所述地址刷新报文是一个广播控制报文，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，地址刷新通常是删除掉当前的全部MAC转发表项或者相关MAC转发表项。MAC地址被删除之后，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地址的出端口等基本转发信息，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辅助节点方向。 

请同时参考图5以及图6，在图5环网正常运转的情况下，各个传输节点以及辅助节点的业务报文是通过主节点(节点A)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。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将报文向主节点A方向发送进而转发监控中心网络。显然，如果主节点A不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转发表向着主节点的主端口方向转发单播报文，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。如果故障源仅仅是节点I与节点H之间的光纤，那么本发明辅助节点会正常地收到主端口发出的探测报文，此时辅助节点并不需要做任何特别处理，环网上的保护切换机制与现有技术基本一致。这说明本发明能够很好地兼容现有技术，而且不需要辅助接点以外其他传输节点做任何配合工作。 

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之间的光纤很可能会同时出现故障。该故障对于节点B和节点C向监控中心网络方向转发报文并没有影响，但是节点D与节点E则因为环网上的故障而无法通过节点A将报文转发到监控中心网络的。本发明的辅助节点在感知到故障后及时打开了其环下端口(P11)，并通过向主节点主端口方向发出地址刷新报文来改变节点D以及节点E对业务报文的转发方向，节点D以及节点E本来是将报文向主节点A的主端口方向转发以将报文转发到监控中心网络的，但是在收到辅助节点发出的地址刷新报文之后，节点D以及节点E首先删除自己的MAC地址转发表，通过MAC地址学习改变了对业务报文的转发方向，对单播业务报文的转发方向会改道辅助节点方向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，辅助节点将能够再次收到主节点的发送的探测报文。此时由于环下端口(P11)处于打开状态，所以必须尽快将其状态修改为阻塞状态，以避免以太网环路导致的广播风暴。此时，由于环下端口(P11)处于阻塞状态，这意味着业务报文将无法通过。此时辅助节点可以再次通过向主端口方向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，让受到故障影响的节点的转发方向改变回故障前的转发方向。比如说，当图6中的光纤故障恢复之后，通过主节点以及辅助节点发送地址刷新报文，节点D、E、I、J的业务报文的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。 

值得注意的是，本发明中辅助节点在任何一个环上端口上收到探测报文都需要阻塞其连接中心网络的环下端口。本发明在步骤101中要求主节点的主端口以及副端口均沿着环网发送探测报文这一机制显然是不同于现有技术的，因为在现有技术中，仅仅需要主端口发送，副端口接收即可实现对环网故障的探测，表面上看起来本发明这样的设计是“多此一举”，然而本发明正是利用这样的设计来有效地规避二层环路的问题。举个例子来说，假设故 障源仅仅存在于节点C与节点D之间，而节点I和H之间并没有故障，此时二层环路问题分析如下： 

首先，由于故障的存在，主节点不能收到自身发出的探测报文，按照环网协议，主节点的副端口必然打开，环网上的所有传输节点以及辅助节点对业务的转发并不会受到影响。对于辅助节点来说，在单点故障的时候，辅助节点控制报文处理单元也会接收到主节点发出的地址刷新报文，控制报文处理单元指令切换单元进行地址刷新操作，此时在这一点上，辅助节点同环网上的传输节点并无差别。 

其次，辅助节点将无法接收到主节点的主端口发出的探测报文，如果主节点的副端口像现有技术那样不发送探测报文，辅助节点将无法收到探测报文，定时器超时，辅助节点将打开其环下端口(P11)，由于主节点的副端口也打开了，那么环网上的节点A、F、G、H、I、J将与中心网络构成二层环路，广播风暴将因此而产生。而本发明中由于主节点的副端口也会发送探测报文，因此辅助节点并不会打开其环下端口，因此二层环路问题可以被有效避免，同时也不会影响到业务的转发。 

需要补充说明的是，本发明对辅助节点连接到中心网络的环下端口(P11)并无特别要求，其可能是一个普通的有线以太网口，也可能是无线口(如WLAN或者3G无线口)。当然，对于主节点连接到中心网络的环下端口同样是没有限制的。在优选的实施方式中，主节点连接到中心网络的环下端口采用有线口，辅助节点的环下端口P11可以采用无线口，尤其是在高速公路等组网环境中，布设光纤或者普通网线的成本比较高，无线口的成本则会很低。虽然无线口的传输速率通常较低，且单位带宽的费用较高，但由于环下端口P11通常仅仅是多点故障的时候才启用，而且启用时间通常很短(管理员通常会尽快地修复故障)，因此部署无线口的成本综合起来是非常低的。 

本发明中辅助节点的设计可以有效地规避掉环网上两侧故障引发的业务流量中断的风险，并且可以有效地识别出单侧故障与两侧故障之间的区别， 并进行不同的处理。本发明不涉及对环网协议的修改，也不需要改造传输节点，在现有的环网中实施起来也非常容易，同时实现了环网多点故障状态下业务流量转发不中断的技术效果。 

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辅助节点上，该环网还包括主节点以及多个传输节点，所述主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述主节点以及辅助节点包括连接中心网络的环下端口，其中环网无故障时，主节点连接中心网络的环下端口处于开放状态，辅助节点连接中心网络的环下端口处于阻塞状态，该方法包括：

A、辅助接点从自身的两个环上端口分别接收主节点的主端口以及副端口发出的探测报文；

B、当辅助节点未能在预设时间内收到主节点主端口以及副端口发出的探测报文时，将自身连接到中心网络的环下端口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环下端口到达中心网络；执行辅助节点自身的地址刷新操作并沿着环网向主节点主端口方向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：

C、辅助节点在将自身连接到中心网络的环下端口的状态由阻塞状态修改为开放状态后又收到主节点的主端口或者副端口发送的探测报文时，将该环下端口的状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过该环下端口到达中心网络；并执行辅助节点自身的地址刷新操作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，所述辅助节点为视频监控编码设备，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；所述中心网络为监控中心网络。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所属辅助节点连接中心网络的端口是有线口或者无线口，该方法还包括： 

D、收到主节点发出的地址刷新报文时，执行地址刷新操作。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助节点是与主节点之间距离最远的节点，或者是与主节点的主端口的距离最接近于其与副端口距离的节点。

6.一种环网的保护装置，其特征在于，该装置应用于环网的辅助节点上，该环网还包括主节点以及多个传输节点，所述主节点均包括位于环上的主端口及副端口，所述主节点以及辅助节点均包括连接中心网络的环下端口，其中环网无故障时，辅助节点连接中心网络的环下端口处于阻塞状态，该装置包括：

控制报文处理单元，用于从环上接收主节点的主端口及副端口发送的探测报文；

切换单元，用于未能在预设时间内收到主节点发出的探测报文时，将辅助接点连接到中心网络的环下端口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环下端口到达中心网络；该切换单元进一步用于执行辅助节点自身的地址刷新操作并沿着环网向主节点主端口方向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将辅助节点连接到中心网络的环下端口的状态由阻塞状态修改为开放状态后又收到主节点发送的探测报文时，将该环下端口的状态修改为阻塞状态，以阻止业务报文通过该环下端口到达中心网络；该切换单元进一步用于执行辅助节点自身的地址刷新操作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，所述辅助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，所述业务报文是通过转发单元在环网上转发的。 

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，其中所属辅助节点连接中心网络的端口是有线口或者无线口，所述控制处理单元进一步用于接收主节点发出的地址刷新报文，并指令切换单元进行地址刷新操作。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述辅助节点是与主节点之间距离最远的节点，或者是与主节点的主端口的距离最接近于其与副端口距离的节点。 

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