CN102916862A

CN102916862A - 工业以太网交换机的智能环网动态保护方法

Info

Publication number: CN102916862A
Application number: CN2011104384755A
Authority: CN
Inventors: 汪强; 葛光胜; 郭华江; 朱延章
Original assignee: XUCHANG XUJI CHANGNAN COMMUNICATION EQUIPMENT CO Ltd; Xuji Group Co Ltd
Current assignee: Xuchang Changnan Communication Technology Co ltd; Xuji Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: CN102916862B

Abstract

本发明涉及工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，各交换机之间通过指定端口首尾互联组成智能环网，并将该智能环网中的一个端口设为阻塞状态，其余端口设为转发状态；当连接通道中断时，若两个端口原来均处于转发状态，则将其中一个端口的状态改为阻塞状态，作为新的备份端口，原备份端口状态改为转发状态；当中断的网络通道由终端恢复连通时，备份端口继续保持状态不变；本方法实现特定网络条件下的动态快速保护环网组建，在发生通道中断时能以更少的网络中断时间来保护数据的传输，减少了数据的损失率；备份端口是动态的，在一通道中断之后进行保护倒换操作，等该通道修复之后，网络状态不再改变，减少了不必要的网络中断时间。

Description

工业以太网交换机的智能环网动态保护方法

技术领域

本发明属于工业以太网冗余环快速倒换技术领域，涉及一种在工业以太网交换机上快速实现智能环网动态保护方法。

背景技术

随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。

然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，以太网交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时以太网交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式以太网技术和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

为了保证工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，在传输主干系统中一般要求采用双通道。两个通道互为备用，当一个通道发生故障时，数据会从另外一个通道进行传输。两条通道之间进行智能的保护。这就是智能环网保护网络。

目前，遵循IEEE802.1d /IEEE802.1W标准实现的STP/RSTP协议可以实现上面的功能，并且可以进行两个以上的多通道保护。在交换机网络中组建任意多的回路。

现有的方法存在以下问题：

1）RSTP/STP有比较长的收敛时间，至少都是在100ms以上。

2）RSTP/STP在网络规模比较大的时候会导致更长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大。

3）RSTP/STP在环状保护网络中，当前工作通道中断之后，会引起网络中断一次，中断的通道恢复工作之后，又会引起网络中断一次。

综上可知，现有的方法存在三个问题：一是提高网络的收敛时间，也就是减少网络中断的时间；二是尽可能的简化整个网络的拓扑结构，快速的对保护过程进行智能判断；三是工作通道中断后进行网络保护，会有小段时间网络中断，但中断的通道恢复之后，网络则不再中断。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业以太网交换机的的智能环网动态保护方法，以减少数据传输过程中的损失率、减少网络中断时间。

为实现上述目的，本发明的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法步骤如下：

（1）组网：每台交换机指定两个端口参与动态快速保护环网组网，各交换机的指定端口之间首尾互联组成一个智能环网，并将该智能环网中的一个端口设为阻塞状态，作为备份端口，其余端口设为转发状态；

（2）保护倒换：当两交换机之间的连接通道中断时，若连接通道的一个端口处于阻塞状态，则不进行变化；若连接通道的两个端口原来均处于转发状态，则将其中一个端口的状态改为阻塞状态，作为新的备份端口，原备份端口状态改为转发状态；

（3）恢复连通：当中断的网络通道由终端恢复连通时，备份端口继续保持自己的状态不变。

进一步的，所述交换机的每一个端口分两组状态：第一组是Link状态：Link Down/Link Up，另一组是数据转发状态：阻塞状态/转发状态。

进一步的，所述步骤（2）中连接通道中断时，连接通道两端的至少一台交换机的参与组环端口能检测到Link Down信号，检测到该信号的交换机就立即在全网通过BPDU包进行保护倒换通知广播，并同时把检测到的Link Down信号的端口设置为阻塞状态，作为新的备份端口；其它交换机接收到该通知之后，把自己原处于阻塞状态的备份端口设置为转发状态，完成保护倒换。

进一步的，所述步骤（3）中当新的备份端口检测到自己状态由Link Down转变为Link Up时，不采取其它的动作，继续保持阻塞状态，作为备份端口。

进一步的，所述备份端口及备份端口所在交换机不固定，原来中断的端口恢复正常之后，网络不切换。

进一步的，交换机的端口状态发生改变时才发送状态改变包，通知全网进行保护处理。

进一步的，端口从Link Down变为Link Up时，连续判断设定次数才确认为Link Up。

本发明的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，运用更简单的方法实现特定网络条件下的动态快速保护环网组建，在发生通道中断的时候能够以更少的网络中断时间来保护数据的传输，从而减少了数据的损失率。本发明的备份端口是动态的，在某一通道中断之后进行保护倒换操作，等该通道修复之后，网络状态不再改变，这样减少了不必要的网络中断时间。

附图说明

图1是实施例的动态快速保护环网正常工作示意图；

图2是实施例的B、C交换机间通道中断之后的工作状态示意图；

图3是实施例的B、C交换机间通道恢复之后的工作状态示意图。

具体实施方式

MAC（Media Access Control 介质访问控制）地址：或称为 MAC位址、硬件位址，用来定义网络设备的位置。在OSI模型中，第三层网络层负责 IP地址，第二层数据链路层则负责 MAC地址。因此一个主机会有一个IP地址，而每个网络位置会有一个专属于它的MAC地址。

以太网交换机（Ethernet Switches）：以太网交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。以太网交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

工业以太网交换机（Industrial Ethernet Switches）：应用于复杂的工业环境中的实时以太网数据传输设备。以太网在设计时，由于其采用载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），在复杂的工业环境中应用，其可靠性大大降低，从而导致以太网不能使用。工业以太网交换机采用存储转换交换方式，同时提高以太网通信速度，并且内置智能报警设计监控网络运行状况，使得在恶劣危险的工业环境中保证以太网可靠稳定的运行。

STP(Spanning Tree Protocol生成树协议)：遵循IEEE802.1d 标准，是一种用于在网络中检测环路并逻辑地阻塞冗余路径，以确保在任意两个节点之间只存在一条路径的技术。当网络中出现环路时，该协议可以采用生成树的算法从逻辑上断开其中一条连接，使其成为备份线路。当网络出现断路时，该协议会自动启动上述备份线路，确保网络正常工作。为提高可靠性，网络中的设备间常需建立冗余连接。但是以太网的逻辑拓扑结构是星型或总线型的，因此链路中不允许出现环路。STP 可以解决上述矛盾。

RSTP（Rapid Spaning Tree Protocol 快速生成树协议）：遵循IEEE802.1w标准，IEEE802.1w由802.1d发展而成，这种协议在网络结构发生变化时，能更快的收敛网络。它比802.1d多了两种端口类型：预备端口类型（alternate port）和备份端口类型。

BPDU（Bridge Protocol Data Unit 网桥协议数据单元）：是一种生成树协议问候数据包，它以可配置的间隔发出，用来在网络的网桥间进行信息交换。当一个网桥开始变为活动时，它的每个端口都是每2s（使用缺省定时值时）发送一个BPDU。然而，如果一个端口收到另外一个网桥发送过来的BPDU，而这个BPDU比它正在发送的BPDU更优，则本地端口会停止发送BPDU。如果在一段时间（缺省为20s）后它不再接收到邻居的更优的BPDU，则本地端口会再次发送BPDU。

工业以太网交换机的智能环网动态保护方法步骤如下：

在工业以太网组网环境中，需要进行环网保护的主干传输网络都是确定的，哪些端口参与环网保护，组成几个环网等等都是确定的，因此我们把这些确定的信息引入到我们的方法中来，这样就简化了系统的设计，加速系统保护倒换的切换时间。

每一台交换机指定两个端口，参与动态快速保护环网组网。所有组网交换机的指定端口之间首尾互联，组成一个如下图1所示的环网。

正常情况下，在工业以太网中，不能形成通道环路，否则会引起网络风暴而导致网络工作异常。通过可管理型以太网交换芯片设置其中的一个端口为阻塞状态，作为备份端口（在一个环网中，有且只有一个备份端口），如图1所示使交换机C参与组环的一个端口设置为阻塞状态，这样就可以正常工作了。当环网中除了交换机C与交换机D之间的网络通道之外的任意一根连接通道中断的时候，触发动态快速保护条件，对整个环网的拓扑进行调整，重新建立新的工作通道，最终结果如图2所示：

当交换机B与交换机C之间的网络通道中断的时候，交换机B或者交换机C肯定至少有一方的参与组环端口能检测到Link Down信号，检测到该信号的交换机就立即在全网通过BPDU包进行保护倒换通知广播，并同时把检测到Link Down信号的端口设置为“阻塞”状态，作为备份端口。其它交换机接收到该通知之后，把自己处于阻塞状态的就绪端口（处于Link Up状态）设置为“转发”状态，从而完成保护倒换过程。整个过程极快，在四台交换机组成的环网中，可以在30ms之内完成。

当交换机B与交换机C之间的网络通道由中断恢复连通的时候，交换机B的端口检测到自己由Link Down状态转变为Link Up状态，但自己为备份端口，不用采取其它的动作了，继续保持原来的状态不变，如下图3所示。

其实现原理如下：通过对整个环网启用一个备份端口（“阻塞”状态端口）来实现。需要处理以下四种事件。

1）正常情况下，除了某一个备份端口外，其它的所有端口都处于“转发”状态，备份端口则处于“阻塞”状态。

2）当端口从Link Up→Link Down时，则把该端口置于“阻塞”状态，同时往“转发”状态端口方向广播保护请求命令，其它交换机收到此命令后，检测原“阻塞”状态端口连接状态，如Link Up，则把备份端口置为“转发”状态，同时发送清除MAC地址表广播，所有交换机清除MAC地址表，完成保护倒换过程；如Link Down，则不予处理。

3）备份端口及备份端口所在交换机不固定，原来中断的端口恢复正常之后，网络不切换。

4）正常情况下，不用发送通信包，只有网络变动的时候，即某个交换机的某个端口状态发生改变的时候才发送状态改变包，通知全网进行保护处理。

每一个端口分两组状态：第一组是Link状态：Link Down/Link Up，另外一组是数据转发状态：“阻塞”状态/“转发”状态。

端口从Link Down→Link Up时，应该连续判断几次才认为真正Link Up，这样可以避免插拔光纤时的波动。

Claims

1.一种工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于，所述交换机的每一个端口分两组状态：第一组是Link状态：Link Down/Link Up，另一组是数据转发状态：阻塞状态/转发状态。

3.根据权利要求2所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于，所述步骤（2）中连接通道中断时，连接通道两端的至少一台交换机的参与组环端口能检测到Link Down信号，检测到该信号的交换机就立即在全网通过BPDU包进行保护倒换通知广播，并同时把检测到的Link Down信号的端口设置为阻塞状态，作为新的备份端口；其它交换机接收到该通知之后，把自己原处于阻塞状态的备份端口设置为转发状态，完成保护倒换。

4.根据权利要求3所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于：所述步骤（3）中当新的备份端口检测到自己状态由Link Down转变为Link Up时，不采取其它的动作，继续保持阻塞状态，作为备份端口。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于：所述备份端口及备份端口所在交换机不固定，原来中断的端口恢复正常之后，网络不切换。

6.根据权利要求5所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于：交换机的端口状态发生改变时才发送状态改变包，通知全网进行保护处理。

7.根据权利要求6所述的工业以太网交换机的智能环网动态保护方法，其特征在于：端口从Link Down变为Link Up时，连续判断设定次数才确认为Link Up。