CN103209099B - 一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，本方法通过检测线路的状态、主动检测网络设备的心跳信号或者控制信号的丢失与恢复以及实时接收控制器发起的切换命令，自动控制完成主用线路、备用线路、网络直通状态的软开关线路切换；本方法包括在切换模块掉电时的解决方案，也包括在网络设备因出现异常或需升级时而影响网络节点感知的解决方案，从而可确保两节点之间的正常通信；本方法中，融合了断电直通（硬直通）、主备用切换、软直通功能，可提供更高级别的保护，并且可以在主、备用网络设备切换时，网络无感知。

Description

一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法。

背景技术

随着互联网的快速发展，各种新业务、新应用日新月异；网络的带宽不断提高、网络结构日臻复杂。各种大型的核心交换路由设备、网关、防火墙及分流设备的大规模应用，对网络设备的日常维护、升级、维修以及应急预案提出了新的要求。现有的网络节点之间连接的各种网络设备在出现故障或做日常维护、升级、维修时，两网络节点之间不能正常通信，会影响网络的使用或感知，所以，为了解决这一问题，现有的解决方法主要有：（1）设置与连接在两网络节点之间的网络设备相同功能的备用网络设备，通过软件握手及心跳的方式，实现双备份及切换；（2）配置断电直通开关。

方法（1）可在主用网络设备出现异常或需做日常维护、升级、维修时，通过切换网络设备在主用网络设备与备用网络设备之间进行切换，将备用网络设备切换至两网络节点之间的线路，使两网络节点之间可继续通信，从而不会影响网络使用。但是，此方法需要配置磁盘阵列，频繁的读取备份，有效的切换保护效率不高，而且成本高；并在网络设备掉电时，则两网络节点之间便不能继续通信；在传统方案主、备用切换时，节点间的通信链路有瞬间的中断，在主用、备用网络设备均出现异常时，正常通信将不能保证；而且，在主用、备用网络设备均出现异常或需做日常维护、升级、维修时，则两网络节点之间也影响通信感知，仍然影响使用。而方法（2）仅仅解决断电直通，在维护、升级过程中，网络能感知到线路的中断；而且没有主、备用机制，可靠性级别低。

因此，如何提供一种能解决上述问题的方法是业内亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，旨在确保两节点之间的正常通信，解决因掉电、连接在节点网络设备间的网络设备出故障或升级而导致的节点间无法通信的问题。

本发明提出一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，包括如下步骤：a、将一切换模块串接在两节点间，将两节点间所需连接的网络设备连接在所述切换模块上，两节点经切换模块与网络设备连接；

b、通过所述切换模块对掉电进行控制，当所述网络设备掉电时，所述切换模块自动开启掉电直通开关，实现两节点之间的硬直通，所述硬直通为纯物理线路直通；当上电时，所述切换模块自动关闭掉电直通开关，使两节点之间经过串入的网络设备正常通信；

c、对所述切换模块与当前连接通信的网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测；

当检测到与所述网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，则进入步骤d1：所述切换模块闭合所述切换模块内的软直通开关，为两节点之间提供电信号通路，将当前工作状态切换为软直通工作状态，所述软直通工作状态为网络直通工作状态，实现两节点在物理层的直通；

当检测到与所述网络设备的物理线路畅通，而且串口物理信号恢复，则进入步骤d2：所述切换模块断开所述软直通开关，并开启与所述网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为网络设备连通工作状态。

优选地，该方法还可在步骤b后增设步骤C、D：

C、在切换模块上连接与已经连接的网络设备功能相同的网络设备，一网络设备作为主用网络设备，另一网络设备作为备用网络设备，主用网络设备连接形成主用通道，备用网络设备连接形成备用通道，在缺省状态下，两节点与主用网络设备连接通信；

D、对所述切换模块与所述主用网络设备、所述备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测：

当检测到与主用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与备用网络设备的物理线路及串口正常通信时，所述切换模块开启与所述备用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为备用网络设备连通工作状态，再进入步骤c；

当检测到与备用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与主用网络设备的物理线路及串口恢复正常通信时，所述切换模块开启与所述主用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为主用网络设备连通工作状态，再进入步骤c。

优选地，在步骤C和D中，可连接多个备用网络设备，通过对切换模块与主用网络设备、多个备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测，切换模块根据检测结果在与主用网络设备及多个备用网络设备的通信线路上进行切换，使两节点之间经网络设备连通正常通信；在检测到只有一网络设备可用时，进入步骤c。

优选地，在上述步骤c和D中，链路检测通过检测同步、链路帧格式、校验码、包统计数等来实现，串口检测通过握手来实现。

优选地，在上述步骤c和D中，软直通切换、主用通道切换、备用通道切换、链路检测和串口检测均通过切换模块中的FPGA芯片来实现。

优选地，还可增设一控制器，所述控制器通过串口与所述切换模块连接，并与主用网络设备、备用网络设备连接，用于对链路检测状态进行分析和串口检测进行监控，并能根据检测结果对切换模块发出控制指令，控制切换模块进行步骤c和D中相应的工作状态切换，所述切换模块可根据控制器发出的指令进行相应切换或自动切换；所述控制器可通过心跳信号与主、备用网络设备实现通信，并能接基于WEB界面的远程管理网络设备。

优选地，上述步骤b中的掉电直通开关为继电器或光开关器件。

其中，网络设备可为不同功能的服务器、防火墙等，根据用户需要而定。

本发明的主要有益效果为：本方法包括在设备掉电时的解决方案，也包括在网络设备因出现异常或需升级时而影响网络节点感知的解决方案，从而可确保两节点之间的正常通信。

而且，还可增设备用网络设备，通过主用网络设备与备用网络设备之间的线路切换来实现两节点间的通信。

本方法中，融合了断电直通（硬直通）、主备用切换、软直通功能，可提供更高级别的保护，并且可以在主、备用网络设备切换时，网络无感知。

附图说明

图1为本发明实施例1中的节点间的网络通信线路的自动切换保护方法的流程图；

图2为本发明实施例2中的节点间的网络通信线路的自动切换保护方法的流程图；

图3为本发明的网络结构图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，提出本发明的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法的两个实施例。

实施例1，该方法包括如下步骤：

a、将一切换模块串接在两节点间，将两节点间所需连接的网络设备连接在切换模块上，两节点经切换模块与网络设备连接；

b、通过切换模块对掉电进行应急控制，当网络设备正常通电时，切换模块正常工作；

当网络设备掉电时，则进入b1：切换模块自动开启掉电直通开关，实现两节点之间的纯物理线路直通——硬直通；

当网络设备上电时，则进入b2：切换模块自动关闭掉电直通开关，使两节点之间经过网络设备正常通信；

c、对切换模块与当前连接通信的网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测，检测与网络设备的物理线路是否正常通信、串口物理信号是否正常，当与网络设备的物理线路正常通信、串口物理信号正常时，切换模块持续当前工作状态；当检测到与网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，则进入步骤d1；当检测到与网络设备的物理线路恢复畅通，而且串口物理信号恢复，则进入步骤d2；

d1、切换模块闭合切换模块内的软直通开关，为两节点之间提供电信号通路，将当前工作状态切换为软直通工作状态，所述软直通工作状态为网络直通工作状态，实现两节点在物理层的直通；

d2、切换模块断开软直通开关，并开启与网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为网络设备连通工作状态。

上述步骤中，步骤b和步骤c同时进行。从而，在掉电时，切换为物理线路直通状态，使两节点之间也能通信，不影响使用；在网络设备出现故障或需升级时，切换为物理层软直通工作状态，使两节点之间也能通信，不影响使用。本方法针对设备掉电、网络设备出现故障或需升级等情况进行相应处理，使两节点间可一直保持通信，且切换无感知，不影响使用。

实施例2，该方法包括如下步骤：

A、将一切换模块串接在两节点上，将两节点间所需连接的网络设备连接在切换模块上，两节点经切换模块与网络设备连接；在切换模块上连接一与已经连接的网络设备功能相同的网络设备，一网络设备作为主用网络设备，另一网络设备作为备用网络设备，主用网络设备与切换模块连接形成主用通道，备用网络设备与切换模块连接形成备用通道，在缺省状态下，两节点与主用网络设备连接通信；

B、通过切换模块进行掉电应急控制，当网络设备正常通电时，切换模块正常工作；

当网络设备掉电时，进入步骤b1：切换模块自动开启掉电直通开关，实现两节点之间的纯物理线路直通——硬直通；

当网络设备上电时，进入步骤b2：切换模块自动关闭掉电直通开关，使两节点之间经过网络设备正常通信；

C、对切换模块与主用网络设备、备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测：

当检测到与主用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与备用网络设备的物理线路及串口正常通信时，进入步骤C1：切换模块开启与备用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为备用网络设备连通工作状态，再进入步骤c；

当检测到与备用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与主用网络设备的物理线路及串口恢复正常通信时，进入步骤C2：切换模块开启与主用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为主用网络设备连通工作状态，再进入步骤c；

c、对切换模块与当前连接通信的网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测，检测与网络设备的物理线路是否正常通信、串口物理信号是否正常，当与网络设备的物理线路正常通信、串口物理信号正常时，切换模块持续当前工作状态；当检测到与网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，则进入步骤d1；当检测到与网络设备的物理线路恢复畅通，而且串口物理信号恢复，则进入步骤d2；

d1、切换模块闭合切换模块内的软直通开关，为两节点之间提供电信号通路，将当前工作状态切换为软直通工作状态，所述软直通工作状态为网络直通工作状态，实现两节点在物理层的直通；

d2、切换模块断开软直通开关，并开启与网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为网络设备连通工作状态。

另外，备用网络设备还可设置多个，通过对切换模块与主用网络设备、多个备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测，切换模块根据检测结果在与主用网络设备及多个备用网络设备的通信线路上进行切换，使两节点之间经网络设备连通正常通信；在检测到只有一网络设备可用时，进入步骤c。

此方法中，在主用网络设备与备用网络设备均正常时，本网络设备处于缺省状态，即两节点与主用网络设备连接通信，主用网络设备为激活网络设备。同时，切换模块对主用网络设备和备用网络设备进行检测，只要其中任一网络设备出现问题，切换模块自动进行网络设备切换，将可用的网络设备切换为激活网络设备来进行使用，保持节点之间正常通信。同时，继续对网络设备进行检测，而在检测到网络设备均出现异常时，切换模块自动进行软直通切换，启动软直通开关，使两节点在物理层上直接通信。在切换模块的网络设备自身掉电时，切换为物理线路直通状态，使两节点之间也能通信，不影响使用。简而言之就是，在任一网络设备可使用时，连通网络设备进行两节点之间的通信；在任一网络设备均不可用时，直接在物理层上使两节点连接通信，实现软直通，而不经过网络设备；在设备掉电的情况下，连接两节点之间的物理线路，实现两节点间的硬直通，保证两节点在任何情况下都能保持连通，从而不影响通信。

本方法中，融合了断电直通（硬直通）、主备用切换、软直通功能，可提供更高级别的保护，并且可以在主、备用网络设备切换时，网络无感知。

其中，网络设备可为不同功能的服务器、防火墙等，根据用户需要而定。

上述两实施例中的链路检测通过检测同步、链路帧格式、校验码、包统计数等来实现，串口检测通过握手来实现。软直通切换、主用通道切换、备用通道切换、链路检测和串口检测均通过切换模块中的FPGA芯片来实现。

上述两实施例中均可增设一控制器，所述控制器与所述切换模块连接，并与主用网络设备、备用网络设备连接，用于对链路状态分析和串口检测进行监控，并能根据检测结果对切换模块发出控制指令，控制切换模块进行上述相应的工作状态切换，所述切换模块可根据控制器发出的指令进行相应切换或自动切换；所述控制器可通过心跳信号与主、备用网络设备实现通信，并能接基于WEB界面的远程管理网络设备，提供基于WEB界面的远程管理需要，便于对切换模块进行管理。另外，还可切换模块上设置手动切换按键，方便使用。

该方法中的切换模块主要包括掉电直通开关、接口模块以及FPGA芯片（Field－ProgrammableGateArray，中文名称：现场可编程门阵列）。接口模块主要用于物理层的连接，包括用于与节点的物理层接口连接的节点接口模块和用于与网络设备的物理层接口连接的网络设备接口模块，两节点与节点接口模块连接，网络设备与网络设备接口模块连接，实现节点与切换模块的物理层连接、网络设备与切换模块的物理层连接。掉电直通开关与节点接口模块连接，节点接口模块与FPGA芯片连接，FPGA芯片与网络设备接口模块连接，通过在FPGA芯片中设计与本方法相应的逻辑电路，来实现切换模块的相应切换，从而确保两节点之间的信号畅通。

掉电直通开关用于控制节点与节点接口模块的物理层连接，保证更高级别的切换和连接。在网络设备正常通电使用时，掉电直通开关处于闲置状态，实现节点与节点接口模块的物理层连接；在网络设备掉电时，切换模块自动开启掉电直通开关，实现两节点之间的纯物理线路直通（硬直通）；当网络设备上电时，切换模块自动关闭掉电直通开关，自动恢复至正常工作状态。

接口模块可为电口模块或光口模块，使用电口模块时，电口模块包括RJ-45接口、网络变压器以及PHY芯片；使用光口模块时，光口模块包括光模块结构件、SPF（SmallFormPluggable）模块以及PHY芯片。使用电口模块时，掉电直通开关采用继电器组成一个切换矩阵，实现物理层的切换和连接；而使用光口模块时，掉电直通开关采用光开关组成一个切换矩阵，实现物理层的切换和连接。

节点接口模块和网络设备接口模块均通过标准的GMII接口与FPGA芯片相连，主要完成线路信号的接收、时钟恢复、编解码并以标准的GMII（Gigabit介质无关接口）接口输出信息。

FPGA芯片主要完成GMII接口信号处理、协议层数据分析、FCS校验码分析、队列处理、软切换、主备用切换、端口流量分析、端口故障检测、端口数据包统计以及心跳信号检测等功能，实现智能切换和分析的核心部分。同时执行控制器的指令要求，实现切换和管理的需要。

控制器主要完成FPGA芯片部分、接口模块部分的监控、切换及管理，通过心跳信号与主、备用网络设备实现通信，并能提供基于WEB界面的远程管理需要。

由于切换模块使用FPGA芯片及PHY机制，主备用的切换时间非常短，可靠性非常高，丢包数量非常低（低于10个数据包），网络基本无感知进行切换。同样的，由于使用FPGA芯片控制及PHY的机制，在维护及软件升级时，不必使用断电直通（或动用线路），而是使用软直通，网络基本无感知，切换速度非常快，丢包非常少（低于10个数据包），在升级（或维护）结束后，直接从软直通状态切换到主用或备用，网络基本无感知（速度快、丢包少）。

如图3所示，切换模块内基本的信息流如下：

1、硬直通时，节点接口WAN1和节点接口WAN2通过切换开关矩阵实现直连，如图3中虚线1部分的业务流示意图；

2、软直通时，节点接口WAN1和节点接口WAN2信息通过切换开关矩阵、节点接口模块及FPGA芯片实现连接，如图3中虚线2部分的业务流示意图；

3、主用信息流时，节点接口WAN1和节点接口WAN2信息通过切换开关矩阵、节点接口模块、FPGA芯片以及主用网络设备接口模块实现连接，如图3中虚线3部分的业务流示意图；

4、备用信息流时，节点接口WAN1和节点接口WAN2信息通过切换开关矩阵、节点接口模块、FPGA芯片以及备用网络设备接口模块实现连接，如图3中虚线4部分的业务流示意图。

本方法通过检测线路的状态、主动检测网络设备的心跳信号或者控制信号的丢失与恢复以及实时接收控制器发起的切换命令，自动控制完成主用线路、备用线路、网络直通（软直通）状态的软开关线路切换；同时能够在系统掉电或者进行系统升级、维修的情况下，控制实现网络设备掉电直通的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，包括如下步骤：a、将一切换模块串接在两节点间，将两节点间所需连接的网络设备串接在所述切换模块上，两节点经切换模块与网络设备连接；

b、通过所述切换模块进行掉电控制，当所述网络设备掉电时，所述切换模块自动开启掉电直通开关，实现两节点之间的硬直通，所述硬直通为纯物理线路直通；当上电时，所述切换模块自动关闭掉电直通开关，使两节点之间经过串入的网络设备正常通信；

c、对所述切换模块与当前连接通信的网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测；

当检测到与所述网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，则进入步骤d1：所述切换模块闭合所述切换模块内的软直通开关，为两节点之间提供电信号通路，将当前工作状态切换为软直通工作状态，所述软直通工作状态为网络直通工作状态，实现两节点在物理层的直通；

当检测到与所述网络设备的物理线路畅通，而且串口物理信号恢复，则进入步骤d2：所述切换模块断开所述软直通开关，并开启与所述网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为网络设备连通工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，该方法还可在步骤b后增设步骤C、D：

C、在切换模块上连接与已经连接的网络设备功能相同的网络设备，一网络设备作为主用网络设备，另一网络设备作为备用网络设备，主用网络设备连接形成主用通道，备用网络设备连接形成备用通道，在缺省状态下，两节点与主用网络设备连接通信；

D、对所述切换模块与所述主用网络设备、所述备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测：

当检测到与主用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与备用网络设备的物理线路及串口正常通信时，所述切换模块开启与所述备用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为备用网络设备连通工作状态，再进入步骤c；

当检测到与备用网络设备的物理线路出现故障或串口物理信号丢失，而与主用网络设备的物理线路及串口恢复正常通信时，所述切换模块开启与所述主用网络设备的电信号通道，将当前工作状态切换为主用网络设备连通工作状态，再进入步骤c。

3.根据权利要求2所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，在步骤C和D中，可连接多个备用网络设备，通过对切换模块与主用网络设备、多个备用网络设备之间的物理线路进行链路检测和串口检测，切换模块根据检测结果在与主用网络设备及多个备用网络设备的通信线路上进行切换，使两节点之间经网络设备连通正常通信；在检测到只有一网络设备可用时，进入步骤c。

4.根据权利要求3所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，在上述步骤c和D中，链路检测通过检测同步、链路帧格式、校验码、包统计数来实现，串口检测通过握手来实现。

5.根据权利要求4所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，在上述步骤c和D中，软直通切换、主用通道切换、备用通道切换、链路检测和串口检测均通过切换模块中的FPGA芯片来实现。

6.根据权利要求5所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，还可增设一控制器，所述控制器通过串口与所述切换模块连接，并通过心跳信号与主用网络设备、备用网络设备连接通信，用于对链路检测状态分析和串口检测进行监控，并能根据检测结果对切换模块发出控制指令，控制切换模块进行步骤c和D中相应的工作状态切换，所述切换模块可根据控制器发出的指令进行相应切换或自动切换；所述控制器能接基于WEB界面的远程管理网络设备。

7.根据权利要求1所述的一种节点间的网络通信线路的自动切换保护方法，其特征在于，上述步骤b中的掉电直通开关为继电器或光开关器件。