CN103002072A - 用于将多个mac分配给多个处理器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

通过一组MAC控制器将一组处理单元连接到多个LAN中。互连交换机允许任何处理单元访问任何MAC控制器。辅助处理器周期性地检测处理单元到LAN的连通性故障。当检测到故障时，冗余的处理单元被分配连接到LAN。如果故障仍然存在，那么冗余的MAC控制器被分配给冗余处理单元。先前的MAC控制器的MAC地址被重新分配给冗余的MAC控制器。

Description

用于将多个MAC分配给多个处理器的方法和系统

本申请是申请日为2008年9月10日，申请号为200810175657.6，发明名称为“用于将多个MAC分配给多个处理器的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请为非临时申请，要求享有2007年9月11日提交的美国临时申请编号60/971,415的优先权，并将该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及通信系统领域，尤其涉及对来自多个LAN的多个客户端与具有一组处理节点（单元）的网络设备之间的连通性的故障检测质量和恢复方法的改进。

背景技术

在基于连接到一个或多个以太网局域网（LAN）的多个处理单元的网络设备系统中，在保持不同LAN之间的良好的独立性以实现安全需要的同时，在超过99.999%的时间内提供可靠、可用且适用（RAS）的连接是具有挑战性的。网络设备可以是用于通信和服务多个用户的网络中的节点。示例的网络设备可以是多点控制单元(MCU)、防火墙、内容服务器、媒体服务器等。

在通用网络设备中，只要系统建立并运行，一个或多个媒体存取控制(MAC)地址与一个处理单元相关联。MAC地址可以指以太网硬件地址（EHA）或硬件地址。MAC地址是一种标识符，其附加到大多数网络适配器（即，网络接口卡（NIC））上，作为适配器的名称。在这种通用结构中，如果处理节点无法进行操作或者必须被替换掉，则无法在不切换到另外一个MAC的情况下支持实现备用处理单元的处理器功能。使用冗余的MAC/处理器对导致了高成本/使用比。此外，每个LAN都需要一个MAC/处理器备用对。MAC上或者物理路径（PHY或者电缆）的某些地方上出现的故障导致与处理器断连，即使处理器并非处于永久性故障状态下，并且另外能服务于来自其它局域网的用户。

因此，显而易见的是，目前的多处理器装备技术在与外部以太网LAN的可靠连通性上有重大的困难。

发明内容

通过使用一种拓扑结构来满足上面描述的需求，在这种拓扑中，多个负责由开放系统互联模块/栈中数据链路层规定的任务的MAC被从多个处理节点（单元）中分离。处理节点负责处理与OSI第三层以及以上的职责相关的任务。上述MAC控制器组作为多个处理节点的连通性资源池，而这些处理节点作为处理资源池并且与MAC控制器分离开来。在这种拓扑中，两个资源池在运行中彼此连接，传递需要的可靠性、可用性和适用性。

附图说明

图1是示出了基于通过互连交换机阵列连接的多个处理单元（节点）和一组MAC控制器的示例的网络设备系统的示意图；

图2是示出了MAC控制器与处理节点的分配过程的流程图，所述分配包括3个过程：在故障检测前、在故障检测中和故障检测后。

具体实施方式

相同的附图标记在图中表示相同的元件。为了方便起见，只有相同组中的某些元件可用附图标记进行标记。这些附图的目的是描述示例的实施例而不是用于生产。因此，所选择的在图中示出的特征只是为了便利和表述清楚。

图1示意性地描述了基于通过互连交换机阵列101连接的多个处理节点/单元100a-100e和一组MAC控制器102a–102e的示例的网络设备系统的元件。处理节点的数量和MAC控制器的数量并不限于由图1中示出的那些。例如，这个系统可能有2个处理器节点和5个MAC控制器。也可以设置各种其他组合。MAC控制器102a-102e的每一个负责OSI模块/栈的数据链路层规定的任务。例如，每一个MAC控制器（102）能够遵守数据链路层使用的通信协议，例如但不限于802.3CSMA/CD、802.1P和802.1Q。

参考图1，MAC控制器102a–102e可以被分为一组或者多组。每一组能够与一个广播域关联，例如多个用户的局域网（LAN）。每一个广播域能够与一组‘N’个MAC地址和一组‘N+1’个MAC控制器关联。MAC控制器可以与广播域物理连接。该域中每一个MAC地址能够分配给属于相同域的相应的MAC控制器。N为连接到相同广播域的活动的MAC控制器数量，而‘+1’MAC控制器为非活动的冗余MAC控制器（即，备用MAC控制器）。如果有必要，MAC控制器的MAC地址能够被重用，或者被重新分配给备用冗余MAC控制器。广播域是计算机网络的一部分，在这个广播域中所有的节点在数据链路层上通过广播互相联系。路由器和其他的高层设备在广播域之间形成边界。当第一计算机只有第二计算机的网络地址（例如IP地址）时，一个示例的广播消息能够在广播域中使用。第一计算机可以使用地址解析协议（ARP）并广播带有第二计算机的IP地址的ARP请求。第二计算机，如果连接到了相同的广播域就可以以其MAC地址进行响应。

通常MAC地址是通过IEEE组织分配给各个网络设备和网络接口卡（NIC）的商家。然后，每个商家为每一个NIC分配MAC地址。如果读者想要知道更多的关于MAC地址分配过程，请访问IEEE的网站：http://standards.ieee.org/regauth/index.html。

在公开的示例性实施例中，一组‘N’个MAC地址被分配给网络设备，例如MCU。这个组能够由辅助（housekeeping）计算机103或者104进行管理。来自这个组的MAC地址能够被分配给任何一个活动的以太网MAC控制器102（连接到广播域）。备用以太网MAC控制器102不与MAC地址关联。为了包含冗余，通常MAC控制器102的数量大于N，例如为‘N+1’。

当建立了到广播域的新连接时，选择处理器100和以太网MAC控制器102，并且该处理器100和以太网MAC控制器102通过互连的交换机阵列101彼此关联。活动的辅助处理器103利用指令将来自MAC地址组中的MAC地址传递到选定的处理器100，以将该MAC地址加载到关联的以太网MAC控制器102。随后，建立到广播域的连接。

MAC控制器通常连接到物理实体（例如图1中没有示出的10/100/1000base-T PHY），该实体根据OSI模块/栈负责通过物理介质传输非结构化的比特流。OSI物理层任务可以符合例如10base-T、100Base-T、1000base-T、1000base-LX或者1000base-SX。

处理节点100a-100e的每一个负责处理与OSI模型第三层及以上相关的工作。例如，处理节点100a-100e的每一个能够处理IP（因特网协议）、DHCP(动态主机配置协议)、IPSEC（IP安全协议）和ICMP（因特网控制信息协议）。例如OSI传输层的任务可以包括TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）和RTP（实时传输协议）。其他与OSI模块上层相关的任务可以包括处理音频信号如G.711、视频信号如H.261、安全相关任务如SSH（安全外壳）、因特网管理如SNMP（简单网络管理协议）、网络定时如NTP（网络时间协议）以及其他应用如HTTP（超文本传输协议）或者FTP（文件传输协议）。

互连交换机阵列101可以符合多种标准，例如但不限于PCI方式，RapidIO或者通过场可编程门阵列实现的纵横（cross bar）阵列。示例的交换机可以是CA USA的Vitsse半导体公司生产的ＶＳＣ3

312。想要了解更多关于交换机阵列的信息的读者请访问Vitsse公司网页：www.vitsse.com。处理节点100a-100e能够通过内部网络105与活动的辅助处理器（处理节点）103进行通信。网络105可以是电路交换网络、分组交换网络、载波传感媒体访问（carrier sensemedia access）网络或者是任何允许两个或两个以上处理节点相互进行通信的技术。在某些实施例中，为了冗余性和可靠性，可以加入包括处理器104和网络106的附加的辅助设置。网络105和106独立于连接到以太网MAC控制器102另一端的外部LAN（图中没有示出）。在某些实施例中，除处理节点的其它任务之外，辅助任务可以由其中一个处理节点100执行。

初始化期间，辅助处理单元103能够从一组与特定LAN关联的地址中分配MAC地址到属于与相同LAN相关联的一组控制器的MAC控制器（102a–102e）。完成初始化以后，通过互连交换机阵列(101)绑定和重绑定MAC控制器（102a-102e）到处理器（100a-100e）能够如如图2所示的过程执行，在该过程中可以进行冗余MAC控制器或者处理节点的平稳和快速的故障转移(failover)。在将MAC控制器（102a-102e）和处理器（100a-100e）进行绑定后，MAC地址被分配给该处理器。处理器（100a-100e）通过处理器经由互连交换机阵列（101）建立的连接将该分配的MAC地址传递到其新绑定的MAC控制器。

图2示出了在故障检测前，故障检测中以及故障检测后，MAC控制器与处理节点的分配过程。例如，该过程可以通过网络105由活动的辅助处理节点103来实现。

故障检测是检测系统中的异常行为的过程。这个流程图开始于在客户端和处理节点以及广播域之间建立连接。在步骤200判断MAC控制器102a-102e之一是否可用。可用的MAC控制器是通过其物理层与广播域进行物理连接的MAC控制器。如果没有可用的MAC控制器，那么整个过程结束。如果有可用的MAC控制器，那么处理节点就会通过互连交换机阵列101被动态分配和绑定（步骤201）到该可用的MAC控制器上（图1）。一旦MAC/处理器对的动态分配完成，来自MAC地址组中可用的MAC地址就被分配给该对。在本发明的示例中，由活动的辅助处理器将MAC地址分配给所分配的处理器，后者依次将该MAC地址加载到与之相关联的MAC控制器102。

然后，故障检测过程阶段开始。图2中示出的示例的故障检查过程使用ICMP分组（回波分组）来周期性地监视用户网络。回波分组的目的地可以是MAC控制器连接的LAN的默认网关IP地址。辅助处理器103能够请求处理单元100发送回波分组，并且如果接收到回波应答就进行确认返回。通过请求和确认过程，辅助处理器监视处理单元到用户局域网的连接有效性，从而如果在连通路径上发生故障就可以被检测到故障。

故障检测过程开始于向默认网关IP地址发送回波（步骤202），并判断（步骤203）是否接收到表示与网关的连接是活动的回波应答。所述默认网关是指所分配的MAC控制器连接的广播域的默认网关。T1秒后（步骤204）故障检测过程通过发出新的回波分组（步骤202）重新开始。如果（步骤203）没有接收到表示故障被检测到的回波应答，初始化恢复过程（步骤205到209）。T1是可配置的参数；它可以在几毫秒到几秒的范围内，依赖于广播域以及MAC控制器102（图1）与广播域之间的连接。

恢复过程的第一阶段是通过互连交换机阵列101（图1）分配冗余的处理节点（步骤205）。第二阶段是发出新的回波分组（步骤206）。第三阶段是判断回波分组是否被接收（步骤207）。如果接收到回波应答，那么故障检测过程通过发出新的回波分组重新开始（步骤202）。在步骤207中收到回波分组表示在那一时刻没有检测到故障。如果没有接收到回波应答，那么这就表示已经检测到故障。随后，判断是否有备用的冗余MAC控制器（步骤208）连接到与可疑的故障MAC控制器相同的广播域。优选地，冗余MAC控制器首先被分配以可疑的故障MAC的MAC地址，从而使得平滑过渡到在冗余的路径上。在本发明的可选典型实施例中，绑定-再绑定命令能够开始于替换MAC控制器，然后是处理器。

过程（没有在图2中示出）可以开始于禁用当前MAC控制器并且随后仅使冗余的MAC控制器活动，以在冗余MAC控制器确实连接到相同的广播域的情况下避免MAC地址的重复。一旦新的连通路径出现，使用相同的MAC地址能够最小化产生的不利影响。当冗余MAC控制器使用与故障的MAC控制器相同的MAC地址时（并不是同时），用户的网络并不知道该替换。该连接中包括的层2交换机，其基于IEEE802.1D透明桥方法，能够连接到冗余MAC，并通过接收即将到来的回波分组自动学习新的路径。如果冗余的MAC控制器是可用的，则所述MAC控制器被分配给该处理器（步骤209），并且故障检测过程可以继续（202）。

公开的方法和系统提高了基于需要连接到用户以太网局域网中的多个处理节点（处理器）的网络设备的可靠性、可用性和适用性。公开的方法和系统通过提供支持处理器系统可能遇到的任何单个点的故障的故障转移的拓扑，来减少处理器系统的计划外的停机时间。公开的方法和系统还例如减少了处理器系统的计划内的停机时间，以允许升级。除此之外，公开的内容通过使MAC/处理器对分离，提供了一种网络分离的方法和装置，即防火墙网关。

通过冗余处理器替换处理器的过程205可以包括向冗余处理器中加载软件和需要用于处理由故障处理器执行的活动的信息。这个过程由能记录需要的信息的活动的辅助处理器103执行。

在本申请的说明书和权利要求书中，每一个动词，“包含”、“包括”和“具有”，及其变形被用于表示该动词的受词并不一定是成员、组件、元素或者动词的部分主语或动词主语的完整列表。

在本申请中，词“单元”和“模块”是可以相互交换的。被称为单元或者模块的任何物都可以是独立单元或者专门的模块。单元或者模块可以是标准组件或者具备标准组件的某些方面，允许使用另一个类似单元或者模块容易地移除和替换它。每一个单元或者模块可以是软件、硬件和/或固件中的任何一个或者其任何组合。逻辑模块软件能够包括在计算机可读介质上，例如可读/写硬盘、CDROM、闪存、ROM等等。为了执行特定任务，软件程序能够根据需要被加载到适当的处理器中。

通过详细描述本发明的实施例对本发明进行了描述，本发明的实施例仅以示例的方式提供但并不意在对本发明的范围进行限制。所描述的实施例包括不同的特征，并不是所有这些特征在本发明的所有实施例中都需要。本发明的某些实施例只使用一些特征或者这些特征的可能的组合形式。本领域技术人员能够想到描述的本发明的实施例的变形以及包括所描述的实施例中记录的特征的不同组合的本发明的实施例。

Claims (17)

1.一种容故障可恢复系统，包括：

多个处理单元；

多个MAC控制器；

互连交换机，用于可通信地且动态地关联一个或多个对，其中每个对包括选自所述多个处理单元的处理单元和选自所述多个MAC控制器的MAC控制器；以及

可通信地连接到所述多个处理单元中的每一个的辅助处理器，

其中所述辅助处理器编程用于动态地为一个或多个对中的每一个分配MAC地址，每个动态分配的MAC地址属于广播域，以及

其中，对于每个对，所述处理单元被配置成通过MAC控制器在广播域上通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个MAC控制器属于广播域。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述辅助处理器通过局域网可通信地连接到所述多个处理单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述辅助处理器编程用于当任何一个对中的MAC控制器故障时分配所述多个MAC控制器中的另一个给所述对。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述辅助处理器编程用于将故障MAC控制器的MAC地址重新分配给所述多个MAC控制器中的另一个。

6.一种用于设置网络设备与广播域之间的连接的方法，其中，所述网络设备包括多个MAC控制器和多个处理器，并且其中，多个MAC地址被分配给所述网络设备，所述方法包括：

从所述多个处理器中选择可用的处理器；

从所述多个MAC控制器中选择可用的MAC控制器；

将选定的处理器和选定的MAC控制器绑定成处理器和MAC控制器对；

从所述多个MAC地址中选择属于广播域的可用的MAC地址；

将所述选定的MAC地址分配给所述处理器和MAC控制器对，

其中所述选定的处理器被配置成通过选定的MAC控制器在广播域上通信。

7.一种容故障可恢复通信系统，包括：

多个MAC控制器；

处理单元，用于可通信地且动态地关联选自所述多个MAC控制器的第一MAC控制器；以及

辅助处理器，编程用于：

动态地将与广播域关联的MAC地址分配给处理单元和第一MAC控制器的关联；

在所述第一MAC控制器故障时，将选自所述多个MAC控制器的第二MAC控制器分配给所述处理单元；以及

重新分配所述MAC地址给所述第二MAC控制器，

其中，所述处理单元通过所述第一MAC控制器或所述第二MAC控制器在所述广播域上通信。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述辅助处理器被嵌入在所述处理单元中。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述多个MAC控制器属于广播域。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理单元通过交换机阵列可通信地且动态地关联所述第一MAC控制器。

11.一种用于从处理单元/MAC控制器对与广播域的连通性故障中恢复的方法，包括：

检测具有MAC地址的处理单元/MAC控制器对与广播域的连通性故障，其中，所述处理单元通过MAC控制器在广播域上通信；以及

当检测到故障时：

重新分配替代MAC控制器给所述处理单元；以及

重新分配所述MAC地址给所述替代MAC控制器，

其中所述MAC地址属于所述广播域。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述检测包括发送故障检测分组到所述广播域的默认网关。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述故障检测分组是ICMP回波分组。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述检测，所述重新分配替代MAC控制器，以及所述重新分配所述MAC地址给所述替代MAC控制器是由所述辅助处理器来执行的。

15.一种维护网络中的连接的方法，包括：

将与所述网络的广播域关联的MAC地址分配给多个MAC控制器中的一个，所述多个MAC控制器中的一个被分配给可通信地连接到所述多个MAC控制器的处理单元，其中所述处理单元被配置成通过所述MAC控制器在所述网络的广播域上通信；以及

利用辅助处理器执行辅助应用，使得所述辅助处理器：

发送故障检测分组给网络的默认网关；

当检测到故障时，重新分配用于连接到所述网络的冗余MAC控制器；

重新分配所述MAC地址给所述冗余MAC控制器；以及

重新分配所述冗余MAC控制器给所述处理单元用于连接到所述网络。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述辅助处理器被嵌入在所述处理单元中。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述处理单元通过交换机阵列可通信地连接到所述多个MAC控制器。

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