CN102868605A - 一种环网数据保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环网数据保护方法，该环网包括：第一、第二路由设备，两路由设备环上端口之间具有若干业务节点；两个路由设备以及环上的业务节点运行防止数据成环的环网保护协议；第一、第二路由设备组成VRRP备份组；所述业务节点配置的网关地址为VRRP备份组的虚拟IP地址，该方法包括：第一路由设备为backup状态时，当在预定时间无法收到VRRP报文将自身的状态变更为master状态，作为网关向环上所述业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表；第一路由设备确定环上业务节点与自身的连通性，并将与自身联通的业务节点的主机路由发布给环下节点。通过本发明技术实现了环网故障时，环上环下业务数据的轻松转发。

Description

一种环网数据保护方法和装置

技术领域

本发明涉及环形网络，尤其涉及环形网络上数据保护的方法和装置。

背景技术

目前在高速公路或者大型园区的视频监控项目中，一般都采用环形组网，环形组网的好处有：（一）与星型组网模式相比环形组网可以节省大量光纤资源；（二）环形组网能够提高冗余，在一定故障范围内能快速自愈。基于这些优点，环形组网模式在高速公路和大型园区的视频监控中的应用越来越广泛。

在高速公路的视频监控网络中，光纤通常都是埋在高速公路中间的隔离带中，两根光纤在同一个保护性套管中进行布设。以图1示例，编码器A、B、C、D和路由设备E组成一个环形的监控网络，路由设备E与监控中心相连；编码器A和B之间的光纤与编码器C和D之间的光纤布设在同一个管道中，链路故障时通常都是两根光纤同时损坏，如图1中打“X”处。如果出现上述情况，编码器B和C编码后的监控数据无法通过路由设备E传送到监控中心。因为一般的环网协议，如RRPP仅能解决单点故障的问题，当环网同时出现图1中所示的双点故障时，就会导致数据丢失。

发明内容

本发明提供一种环网数据保护方法，其中该环网包括：第一路由设备和第二路由设备，第一路由设备的第一环上端口和第二路由设备的第一环上端口之间具有若干业务节点，第一路由设备的第二环上端口和第二路由设备的第二环上端口之间也具有若干业务节点，第一路由设备的第三端口和第二路由设备的第三端口均为环下端口；所述第一路由设备、第二路由设备以及环上的业务节点运行防止数据成环并且在环网出现单点故障能进行保护倒换的环网保护协议；其中，第一路由设备和第二路由设备组成VRRP备份组；所述业务节点配置的网关地址为VRRP备份组的虚拟IP地址；该方法包括：

第一路由设备为backup状态时，当在预定时间无法收到VRRP报文将自身的状态变更为master状态，向环上所述业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表，从而使得环上数据能通过作为网关的第一路由设备正确转发到环下节点，确定环上业务节点与自身的连通性，并将与自身联通的业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下的数据能正确地被路由到该些环上节点。

本发明还提供一种环网数据保护装置，该装置应用于环网上的路由设备，该环网上的路由设备之间的两条环上链路上分别具有若干业务节点，并且路由设备的环下端口和环下节点相连；所述路由设备和环上业务节点运行防止数据成环并且在环网出现单点故障能进行保护倒换的环网保护协议；所述路由设备构成VRRP备份组，所述环上业务节点配置的网关地址为该VRRP备份组的虚拟IP地址；所述装置包括：身份确定模块，用于接收VRRP报文，确定自身路由设备在VRRP备份组中的master/backup状态；ARP模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，向环上业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表，从而使得环上数据能通过自身路由设备转发到环下节点；连通性确认模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时或者在自身路由设备为master状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，确定环上业务节点与自身路由设备的连通性；路由模块，用于将与自身联通的环上业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下数据能被路由到该些环上业务节点。

本发明有益效果：通过本发明的技术，在环网出现双点故障时，环上的业务数据能轻松的通过环上的路由设备传输到环下，环下的业务数据也能轻松的通过环上的路由设备传输到环上的业务节点。

附图说明

图1是现有技术环网故障示意图。

图2是本发明实施例环网正常时环上数据发送路径示意图。

图3是本发明实施例环网正常时环下数据发送路径示意图。

图4是本发明实施例环网故障时环上数据发送路径示意图。

图5是本发明实施例环网故障网段冲突示意图。

图6是本发明实施例环网故障时环下数据发送路径示意图。

图7是本发明一种环网数据保护装置逻辑模块图。

具体实施方式

针对背景技术中提到的技术问题，本发明在现有的环形网络上再增加一路由设备，并且在这两个路由设备上运行VRRP协议。参见图2，增加一路由设备后，环形网络上存在两个路由设备，路由设备E和路由设备F，并且路由设备E和F运行VRRP协议，构成VRRP备份组。路由设备E和路由设备F通过环下端口与环下节点G（如监控中心）相连；路由设备E和F之间的两条环上链路上分别具有若干环上业务节点A、B、C、D（这些业务节点可以是编码器EC，或者网络摄像机IPC，或者其它具有二层转发功能的业务设备），即路由设备E的一个环上端口和路由设备F的一个环上端口之间连接有若干业务节点，路由设备E的另一环上端口和路由设备F的另一环上端口之间也有若干业务节点。

图2所示的环网运行二层协议，如RRPP，STP等，防止数据成环，并且在环网出现单点故障时，能自动保护环网数据正常转发。这里的数据包含各种业务数据报文和各种业务信令报文。针对监控业务，这里的数据包括监控视频数据和各种监控的信令报文。网络无故障时，环上节点的一端口阻塞，比如说路由设备E的环上端口P1阻塞（端口阻塞的意思是禁止数据报文通过）。环上的业务节点配置的网关地址为VRRP备份组的虚拟IP地址。VRRP备份组的master设备发送虚拟IP地址的免费ARP报文，回应业务节点针对虚拟IP地址的ARP请求。这样，环上的各个业务节点产生的数据报文发送给master设备，master设备再将数据报文传输到环下节点G。图2显示了环网正常状态下，路由设备F作为VRRP备份组的master设备，路由设备E作为backup设备时环上业务节点的数据到达环下节点G时所传输的路径。VRRP备份组的master设备和backup设备都发布该环网的网段路由到环下，所以环下节点发送给环上业务节点的数据报文有可能路由到master设备，也有可能路由到backup设备。master设备或者backup设备收到环下数据后，根据本地的ARP表项将环下数据发送给对应的环上业务节点。图3显示了环网正常状态时，路由设备F作为master设备，路由设备E作为backup设备时环下节点G的数据到达环上业务节点时所传输的路径。由于环下节点G将数据传输到环上业务节点有两条等价路由，所以图3只是显示了环下数据到环上节点的一种传输路径。

VRRP备份组的master设备定时向backup设备发送VRRP报文，backup设备在预定时间内未接收到该VRRP报文则认为自己是master设备。参见图4，当环网出现双点故障时（双点故障指环网两路由设备之间的两条链路均出现断点故障的情况，背景技术中描述的同一段管道内的光纤同时断裂就属于这种双点故障），作为backup的路由设备E将无法接收到作为master的路由设备F的VRRP报文，路由设备E成为master设备，向所述环上业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表。而此时路由设备F仍然是master设备。由于路由设备E和F均向环上业务节点发送ARP报文，所以对于节点A和D而言，ARP报文使得这两个业务节点保存的虚拟IP地址对应的MAC地址变为路由设备E的MAC地址；对于节点B和C而言，ARP报文使得这两个业务节点保存的虚拟IP地址对应的MAC地址仍然为路由设备F的MAC地址。这样，各环上业务节点根据本地的ARP表和二层转发表将发往环下节点G的报文进行封装后发往各自实际的网关设备。图4带箭头虚线显示了节点A、B、C和D发往环下节点G的数据报文传输路径。这里需要说明的，当环网一发生故障，环网保护协议使得原来阻塞的端口P1放开，各节点刷新自身的MAC地址表。

根据以上描述，在环形网络上如果设置两个路由设备，并且这两个路由设备属于一个VRRP备份组，则在环网出现双点故障的时候，环网上的业务节点将不会成为孤岛而导致数据无法传输到环下网络。所以相对于现有技术，仅需要在环上增加一路由设备，并且该路由设备和原有的路由设备一起启用VRRP协议，构成VRRP备份组。

上述方案虽然能保证环网出现双点故障时，环上业务节点的数据能传输到环下节点，但是环下节点的数据传输到环上业务节点时将会存在问题。参见图5，两个椭圆区域节点的网段重叠。在环网故障时，由于路由节点E和F都作为VRRP的master存在，它们向环下网络发布相同的网段路由，这样环下节点G就有到达环上业务节点的两条等价路由。在存在等价路由的情况下，现有的转发机制是逐包或者逐流从等价链路上随机选择一条路由进行转发。比如说环下节点G有数据流量要发往环上节点A，结果很不幸的选择了下一跳为F，则数据转发不通。

所以在环网出现双点故障时，作为master的两个路由设备E和F需要确认和自身相连的环上业务节点，然后将与自身相连的环上业务节点的主机路由发布到网络中。环下节点收到环上业务节点的主机路由后，添加到自身的路由表中就能实现环下数据到环上业务节点的正确转发。

环网出现双点故障时，路由设备E和F确认和自身相连的环上业务节点的方法具体说明如下。

第一种方法：路由设备E和F向环上业务节点发送探测包比如ping包，来探测环上业务节点是否在线。路由设备E和F本地的ARP表项中具有环上所有业务节点的地址信息，路由设备E和F构建目的地址为环上业务节点地址的探测报文，如果收到了环上业务节点的回应报文，就认为该环上业务节点和自身连通。如果没有收到回应报文，就认为该节点和自身不连通。

第二种方法：

步骤1、路由设备E和F根据本地存储的ARP表项构造免费ARP报文并发送到环网中，该免费ARP报文的发送者IP地址和目标IP地址为环网上业务节点的IP地址，发送者MAC地址为路由设备E或F的MAC地址。

例如，在环网未出现故障时，路由设备E和F在本地保存的ARP表为：

IP地址	MAC地址
		130.3.4.163	0000-ec02-1004
130.3.4.161	0023-89d3-de21
		130.3.4.165	00e0-e011-1111
130.3.4.164	0023-89d3-de12

表1

第1条表项记载的IP地址130.3.4.163，MAC地址0000-ec02-1004是环上节点A的IP地址和MAC地址，第2条表项、第3条表项和第4条表项分别记载的是环上节点B、C和D的IP地址和MAC地址。当路由设备E和F确定当前环网出现双点故障时，路由设备E和F根据当前本地保存的ARP表项，构造免费ARP报文。表1记载了4条表项，路由设备E和F分别构造4条免费ARP报文。

以上述第1条表项为例，路由设备E构造的免费ARP报文为：

Sender mac address:0000-b201-054a（路由设备E的mac地址）

Sender ip address:130.3.4.163

Target mac address:0000-ec02-1004

Target ip address:130.3.4.163

在路由设备E构造的该免费ARP报文中，发送者IP地址和目标IP地址均为环网节点A的IP地址，发送者MAC地址为路由设备E的MAC地址。

路由设备F以同样的方式构造免费ARP报文。

步骤2、路由设备E和F如果接收到针对免费ARP报文的回应报文，则重新学习并记录下来，生成新的ARP表。

对于图5所示的故障，路由设备E将接收到节点A和D的ARP回应报文，路由设备F将接收到B和C的ARP回应报文，路由设备E和F根据接收到的ARP回应报文重新生成ARP表项。表2是路由设备E重新生成的ARP表；表3是路由设备F重新生成的ARP表。

IP地址	MAC地址
		130.3.4.163	0000-ec02-1004
130.3.4.164	0023-89d3-de12

表2

IP地址	MAC地址
		130.3.4.161	0023-89d3-de21
130.3.4.165	00e0-e011-1111

表3

步骤3、路由设备E和F根据自身生成的ARP表确定与自身相连的环上业务节点。

路由设备E根据表2确定，环上业务节点A和环上业务节点D是与自身相连的环上业务节点；路由设备F根据表3确定，环上业务节点B和环上业务节点C是与自身相连的环上业务节点。

实际上，仅有和路由设备E或F相连的环上业务节点才能收到路由设备E或F发送的免费ARP报文，从而才能针对该免费ARP报文作出回应来使得路由设备E或F能确认其和自身连通。路由设备E收到环上业务节点A和D的ARP回应报文，确认环上业务节点A和D和自身相连；路由设备F收到环上业务节点B和C的ARP回应报文，确认环上业务节点B和C和自身相连。

第一种Ping协议确定连通性的方法总体上不如第二种ARP的方式简单、对设备压力的压力小。

路由设备发布与自身相连的环上业务节点的主机路由具体实施过程如下：

针对利用ping协议进行连通性探测，如果Ping通，则生成一条该环上业务节点的主机路由，并把这条主机路由引入到动态路由协议中发布到网络中去。比如，路由设备Eping通了业务节点A（A的IP地址为130.3.4.163）和业务节点D（D的IP地址为：130.3.4.164），路由设备E生成32位主机路由，如表4。

Destination/mask	NextHop
		130.3.4.163/32	130.3.4.163
130.3.4.164/32	130.3.4.164

表4

同样地，路由设备F生成了32位主机路由，如表5：

Destination/mask	NextHop
		130.3.4.161/32	130.3.4.161
130.3.4.165/32	130.3.4.165

表5

如果没有ping通，则不发布其主机路由。比如路由设备E没有ping通环上业务节点B和C，则不发布B和C的主机路由，即表明到达环上业务节点B和C无法通过路由设备E进行中转。

路由设备利用免费ARP来进行连通性探测，将针对免费ARP进行应答的环上业务节点的主机路由发布到网络中。路由设备可以根据本地更新后的ARP表项中的记录来发布主机路由。

业务节点A和D分别针对路由设备E广播的免费ARP报文（免费ARP中的IP地址分别为业务节点A的IP地址和D的IP地址）进行应答，路由设备E分别生成业务节点A和D的主机路由，参表4。类似地，路由设备F将分别生成业务节点B和C的主机路由，参表5。

路由设备E将上述主机路由引入到动态路由协议中发布出去后，环下节点就通过该主机路由将数据报文发送到环上节点A或D。同样，路由设备F将发布环上节点B和C的主机路由。这样环下节点的数据报文传输到环上节点就不会存在问题了。参见图6，环网出现双点故障后，环下节点数据到达环上业务节点的传输路径。

环网上的路由设备通过VRRP报文来判断环网是否出现双点故障，处于backup状态的路由设备由于接收不到master状态的路由设备发送的VRRP报文，就变更为master状态，对环上业务节点，通过ARP报文（可以是免费ARP报文或者针对业务节点的ARP请求进行应答的ARP回应报文）使得环上业务节点更新本地的ARP表项和二层转发表项；对于环下节点，发布和自身相连的环上业务节点的主机路由，使得环下节点更新本地的路由表项。当出现双点故障时，master设备无法收到backup设备发送的VRRP报文。面对这种情况，master设备执行的操作为：对于环上业务节点，仍然和原来一样发送ARP报文使得环上业务节点更新本地的ARP表项和二层转发表项；对于环下节点，发布和自身相连的环上业务节点的主机路由，使得环下节点更新本地的路由表项。从以上描述可以看出，当环网出现双点故障时，VRRP备份组中的两个路由设备具有相同的角色（master角色），执行相同的动作。

当上述双点故障消除的时候，VRRP路由设备通过VRRP报文来确定故障消除。具体地，环上处于master状态的两个路由设备均会再次收到对方发送的VRRP报文，这时它们就可以认为环网的双点故障已经消除。当双点故障消除后，环网上的这两个路由设备需要收回之前发布的主机路由。图4所示的双点故障消除后，路由设备E由master变为backup，路由设备F则仍为master；路由设备E和路由设备F分别撤销之前发布到网络中的主机路由：表4，表5。

通过上述方法，不难看出，在环网出现类似同一处管道光纤断离的双点故障时，环上环下数据都能轻松实现正常转发。比如，环上业务节点是前端监控设备，如网络摄像机IPC产生监控视频数据，环下的一节点是视频点播设备，环上任一IPC的视频数据在环上出现双点故障时都能被视频点播设备点播。在环下节点是管理服务器时，如果其要对环上的任一IPC发送信令报文时，即便在环网出现双点故障时，该信令报文也能被正确路由到环上的IPC。

基于同样的构思，本发明还提供一种环网数据保护装置，该装置应用于环网上的路由设备，该环网上的路由设备之间的两条环上链路上分别具有若干业务节点，并且路由设备的环下端口和环下节点相连；所述路由设备和环上业务节点运行防止数据成环并且在环网出现单点故障能进行保护倒换的环网保护协议；所述路由设备构成VRRP备份组，所述环上业务节点配置的网关地址为该VRRP备份组的虚拟IP地址；所述装置包括：身份确定模块，用于接收VRRP报文，确定自身路由设备在VRRP备份组中的master/backup状态；ARP模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，向环上业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表，从而使得环上数据能通过自身路由设备转发到环下节点；连通性确认模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时或者在自身路由设备为master状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，确定环上业务节点与自身路由设备的连通性；路由模块，用于将与自身联通的环上业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下数据能被路由到该些环上业务节点。

该ARP模块还用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时或者在自身路由设备为master状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，构造免费ARP报文并广播构造的免费ARP报文，所述免费ARP报文中的发送者IP地址和目标IP地址为环上业务节点的IP地址，发送者MAC地址为路由设备的MAC地址；所述连通性确认模块，用于在收到针对免费ARP报文的回应报文时，认为回应者是与自身路由设备相连的环上业务节点。

该ARP模块根据本地的记载的ARP表项构造免费ARP报文，收到针对免费ARP报文的回应报文后生成新的ARP表；所述连通性确认模块根据新生成的ARP表项确定与自身相连的环上业务节点。

该路由模块在自身路由设备再次接收到VRRP报文时，撤销发布给环下节点的所述主机路由，以使得环下数据能够根据已经存在的网段路由被路由到环上业务节点。

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)

1.一种环网数据保护方法，其特征在于，该环网包括：第一路由设备和第二路由设备，第一路由设备的第一环上端口和第二路由设备的第一环上端口之间具有若干业务节点，第一路由设备的第二环上端口和第二路由设备的第二环上端口之间也具有若干业务节点，第一路由设备的第三端口和第二路由设备的第三端口均为环下端口；所述第一路由设备、第二路由设备以及环上的业务节点运行防止数据成环并且在环网出现单点故障能进行保护倒换的环网保护协议；其中，第一路由设备和第二路由设备组成VRRP备份组；所述业务节点配置的网关地址为VRRP备份组的虚拟IP地址，该方法包括：

第一路由设备为backup状态时，当在预定时间无法收到第二路由设备发送的VRRP报文时，将自身的状态变更为master状态，向所述环上业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表，从而使得环上数据能通过作为网关的第一路由设备正确转发到环下节点；确定环上业务节点与自身的连通性，并将与自身联通的环上业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下数据能正确地被路由到该些环上业务节点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定环上业务节点与自身的连通性包括：第一路由设备构造免费ARP报文并广播构造的免费ARP报文，如果收到针对免费ARP报文的回应报文，则认为回应者是与自身相连的环上业务节点，所述免费ARP报文中的发送者IP地址和目标IP地址为环上业务节点的IP地址，发送者MAC地址为第一路由设备的MAC地址。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一路由设备根据本地记载的ARP表项构造免费ARP报文，收到针对免费ARP报文的回应报文后生成新的ARP表，根据新生成的ARP表项确定与自身相连的环上业务节点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一路由设备再次收到第二路由设备发送的VRRP报文时，第一路由设备撤销发布给环下节点的所述主机路由，以使得环下数据能够根据已经存在的网段路由被路由到环上业务节点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二路由设备为master状态时，当在预定时间无法收到第一路由设备发送的VRRP报文时，第二路由设备确定环上业务节点与自身的连通性，并将与自身联通的环上业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下数据能正确地被路由到该些环上业务节点。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二路由设备再次收到第一路由设备发送的VRRP报文时，第二路由设备撤销发布给环下节点的所述主机路由，以使得环下数据能够根据已经存在的网段路由被路由到环上业务节点。

7.一种环网数据保护装置，该装置应用于环网上的路由设备，其特征在于，该环网上的路由设备之间的两条环上链路上分别具有若干业务节点，并且路由设备的环下端口和环下节点相连；所述路由设备和环上业务节点运行防止数据成环并且在环网出现单点故障能进行保护倒换的环网保护协议；所述路由设备构成VRRP备份组，所述环上业务节点配置的网关地址为该VRRP备份组的虚拟IP地址；所述装置包括：

身份确定模块，用于接收VRRP报文，确定自身路由设备在VRRP备份组中的master/backup状态；

ARP模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，向环上业务节点发送ARP报文使得环上业务节点刷新ARP表和二层转发表，从而使得环上数据能通过自身路由设备转发到环下节点；

连通性确认模块，用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时或者在自身路由设备为master状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，确定环上业务节点与自身路由设备的连通性；

路由模块，用于将与自身联通的环上业务节点的主机路由发布给环下节点，使得环下数据能被路由到该些环上业务节点。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述ARP模块还用于在自身路由设备为backup状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时或者在自身路由设备为master状态但在预定时间内没有收到VRRP报文时，构造免费ARP报文并广播构造的免费ARP报文，所述免费ARP报文中的发送者IP地址和目标IP地址为环上业务节点的IP地址，发送者MAC地址为路由设备的MAC地址；所述连通性确认模块，用于在收到针对免费ARP报文的回应报文时，认为回应者是与自身路由设备相连的环上业务节点。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述ARP模块根据本地的记载的ARP表项构造免费ARP报文，收到针对免费ARP报文的回应报文后生成新的ARP表；所述连通性确认模块根据新生成的ARP表项确定与自身相连的环上业务节点。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述路由模块在自身路由设备再次接收到VRRP报文时，撤销发布给环下节点的所述主机路由，以使得环下数据能够根据已经存在的网段路由被路由到环上业务节点。

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