CN103595626B - 一种环形网络中实现动态路径规划的方法 - Google Patents

Abstract

一种环形网络中实现动态路径规划的方法，包括：交换机初始化配置；交换机初始化配置完成后，所有交换机依据精确时钟同步协议PTP进行时钟同步；在第一次同步以后，各交换机从其1号环端口向网络发送信息收集报文；最小序列号的交换机将其1号环端口配置为阻塞状态，最小序列号的交换机的2号环端口及其他所有交换机的环端口全部配置为转发状态；定义动态路径规划的最小间隔时间为保持时间；保持时间达到以后，各交换机分别从各交换机的1号环端口发送信息收集报文；根据信息收集报文判断网络是否出现故障；根据判断结果进行路径动态重组或不进行路径动态重组。使用本发明的方法，使得环网中的路径规划更为灵活，同时也保证了工业自动化网络的实时性要求。

Description

一种环形网络中实现动态路径规划的方法

技术领域

本发明涉及以太网络通信技术领域，具体涉及一种以太网交换机环形网络中实现动态路径规划的方法。

背景技术

以太网技术是目前应用最为广泛的局域网通信技术，由于其开放性、兼容性好、易于组网、成本低、传输速度快等优点也逐渐进入工业控制领域，成为自动化通信网络的组成部分。工业以太网为了保证网络的冗余性和可维护性，环形网络拓扑结构被大量采用，但是环形网络的路径往往是固定的。需要一种新的方法，可以将环网的路径进行动态的规划，以更好的满足工业网络特别是大规模环形网络实时性的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种在环形网络中的动态路径规划的实现方法，以动态路径规划的方式使得通信数据在更合理的通信链路上传输，从而实现工业控制网络的路径选择的灵活性和更好的数据传输的实时性。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种环形网络中实现动态路径规划的方法，在环形网络中，组成环形网络的交换机是对等的、无差别的，交换机通过1号环端口和2号环端口在物理上连接成环，但在逻辑上始终保持一段链状的通信路径，所述路径可根据网络状况进行动态重组，对所述途径进行动态规划的过程如下：

步骤1：交换机初始化配置，其中，除了对交换机进行常规配置外，还需要对信息收集报文发送间隔时间、信息收集报文接收超时时间、同步时钟类型、交换机序列号、使能端口流量统计进行配置；

步骤2：交换机初始化配置完成后，所有交换机依据精确时钟同步协议PTP进行时钟同步；

步骤3：在第一次同步以后，各交换机从1号环端口向网络发送信息收集报文，此次收集的信息为交换机序列号及数量；

步骤4：信息收集结束后，初始化路径的生成只根据收集到的交换机的序列号进行，最小序列号的交换机将其1号环端口配置为阻塞状态，最小序列号的交换机的2号环端口及其他所有交换机的环端口全部配置为转发状态；

步骤5：初始化路径形成以后，整个网络进入正常的通信状态；定义动态路径规划的最小间隔时间为保持时间；

步骤6：保持时间达到以后，各交换机分别从各交换机的1号环端口发送信息收集报文；此时收集的信息包括交换机的序列号、数量及流量信息，其中所述流量信息定义为各交换机上除1号环端口和2号环端口以外其他所有端口的流量之和；

步骤7：信息收集报文同时也用于发现环网的结构变化，包括交换机的添加、删除和故障；交换机收到其它交换机发出的信息收集报文时，添加自身的信息到此报文中并继续传递；

步骤8：根据信息收集报文判断网络是否出现故障；

网络正常情况下，每个交换机都会在信息收集报文接收超时时间之前从2号环端口收到由1号环端口发出的信息收集报文；

当网络出现故障时，各交换机无法收到完整的信息收集报文；

步骤9：根据步骤8的判断结果进行路径动态重组或不进行路径动态重组；其中，

当网络状态正常时，各个交换机收到信息收集报文后进行分析，找出流量最大的交换机MidSwitch，然后MidSwitch从两个环端口发送路径重组通知报文，告知每一个交换机在特定重组时间ReRouteTime后清空MAC地址转发表，距离MidSwitch最远的交换机EndSwitch阻塞其1号环端口，同时原有的EndSwitch的1号环端口进入转发状态；当MidSwitch不发生变化时，不进行路径重组；

当网络出现故障且只有单点故障时，当信息收集报文接收超时时间到达时，原有的EndSwitch迅速打开其1号环端口便可以使网络恢复正常，进入固定路径阶段，在网络故障恢复之前不会再进行动态的路径规划；在此时间内，未收到信息收集报文的环端口则被认为是故障的邻接端口，将此环端口转入阻塞状态，防止故障恢复以后带来的环形网络风暴。

进一步地，在上述环形网络中实现动态路径规划的方法中，初始化路径的主要依据是交换机序列号，动态路径规划的依据为交换机流量信息；具体路径规划的原则为初始化路径时将最小流量设备置为EndSwitch，动态路径规划时将最大流量设备置为MidSwitch。

进一步地，在上述环形网络中实现动态路径规划的方法中，设置流量阀值，在步骤9中，根据最大流量是否超过设定阀值决定是否进行新一轮的路径重组。

进一步地，在上述环形网络中实现动态路径规划的方法中，在步骤9中，根据信息接收报文是否超时判定网络是否出现故障，故障的情况下进行路径恢复并采用固定路径。

本发明的另一方面，提供一种用于上述任一方法中的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，包括：保护模块、隔离模块、电源模块、交换处理功能模块、CPU控制管理模块，其中，

保护模块用于对抗各种恶劣电磁环境，提供保护；

隔离模块用于提供信号的隔离；

电源模块用于电压的转换和稳压；

交换处理功能模块用于处理正常以太网报文的交换；

CPU控制管理模块用于处理动态路径规划算法以及实现对交换处理功能模块的管理。

进一步地，在上述支持环网动态路径规划的工业以太网交换机中，所述交换机可通过环端口在物理上连接成环，但在逻辑上保持一段链状的通信路径。

进一步地，在上述支持环网动态路径规划的工业以太网交换机中，所述环端口可设置为阻塞状态或转发状态。

进一步地，在上述支持环网动态路径规划的工业以太网交换机中，所述隔离模块为变压器隔离。

进一步地，在上述支持环网动态路径规划的工业以太网交换机中，所述交换处理功能模块包括MAC层和以太网物理层。

进一步地，在上述支持环网动态路径规划的工业以太网交换机中，所述电源模块提供24v直流电源到5v,3.3v,2.5v和/或1.8v电压的转换和稳压。

使用本发明的方法，使得环网中的路径规划更为灵活，同时也在一定程度上保证了工业自动化网络的实时性要求。

附图说明

图1是环形网络结构示意图；

图2是路径重组示意图；

图3是网络恢复示意图；

图4是一种支持环网动态路径规划的工业以太网交换机的硬件框图；

图5是一种支持环网动态路径规划的工业以太网交换机软件工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的组成环形网络的交换机设备有两个专用的环端口：1号环端口R1和2号环端口R2，两个环端口可以处于转发状态或者阻塞状态，处于阻塞状态的环端口不能转发业务报文，处于转发状态的环端口可以转发所有的报文。进入通信工作前需要进行设备初始化配置，除了常规的网络设备相关参数配置外，还需要配置信息收集报文接收超时时间、同步时钟类型、交换机设备顺序号。信息收集报文接收超时时间主要根据环网的规模来确定。

各交换设备（交换机）在通讯中的地位角色平等，均是无差别的，交换机通过环端口在物理上连接成环，在逻辑上始终保持开环状态，其它终端设备根据现场情况挂接在各个交换机的其他端口上。且各个交换设备的切换必须同时进行，否则会形成连通环路，因此必须对系统进行时钟同步。系统初始化配置完成后，所有的设备应依据IEEE1588精确时钟同步协议进行时钟同步，设备之间的时钟可以达到亚微秒级的同步，以保证路径规划时不会因为时钟不同步的问题而形成网络风暴。之后网络进入通信阶段，各交换设备除了完成网络数据流的交换以外，还要定时的发送设备信息收集报文（InfoGet），以得到最新的所有网络设备信息，包括设备个数、设备ID号、设备网络流量等信息。在第一次同步以后，各个交换设备从其1号环端口向网络上发送信息收集报文，此次收集的信息为设备号和设备数量。信息收集结束以后，最小设备号的交换设备将其1号环端口仍置于阻塞状态，其2号环端口和其它设备的环端口全部进入转发状态。

初始路径形成以后，网络进入正常的工作状态。为了兼顾网络的稳定性，在本发明中定义了一个保持时间（HoldTime），为动态路径规划的最小间隔时间。在此时间到达以后，各个交换设备从其1号环端口发送信息收集报文，此时收集的信息应包括设备号、设备数量和设备流量。设备流量为各个交换设备上除环端口以外其它端口流量的总和。当交换机收到其它设备发送的InfoGet报文时，应该将本设备的信息添加进去。如果发现交换设备无法收集设备信息时，则表明网络出现了故障，应该进行网络恢复，使网络正常业务不受影响。

如图2所示，在网络正常情况下，每个设备都会在信息收集报文接收超时时间之前从2号环端口收到由1号环端口发出的信息收集报文。当设备信息收集完毕以后，各个交换设备会分析收到的信息收集报文，找出流量最大的交换设备，称为MidSwitch，由该设备进行路径重组的决策，当决定进行路径重组时发出路径重组通知（ReRoute），使得距离它最远的设备自行阻塞环端口同时使得原来处于阻塞状态的环端口进入转发状态，从而保证路径的顺利切换。其实每个设备的分析结果是一致的。然后MidSwitch会从两个环端口发送路径重组通知报文，告知每一个设备在特定重组时间（ReRouteTime）后清空MAC地址转发表，距离MidSwitch最远的设备（称为EndSwitch）阻塞其1号环端口，同时原EndSwitch的1号环端口进入转发状态。当MidSwitch不发生变化时，路径重组不进行。在此处还可以设置一个流量的阀值，在最高流量低于该值时不启动路径规划，网络性能不会受到太大的影响，也体现更好的灵活性。

如图3所示，如果网络出现了故障，那么各交换设备无法收到完整的信息收集报文。如果只有单点故障，网络可以进行恢复，多点故障不在本发明实现范围内。当InfoGet报文接收超时时间到达时，原有的EndSwitch迅速打开其1号环端口便可以使网络恢复正常。在此时间内，没有收到过信息收集报文的环端口则被认为是故障的邻接端口，应将此环端口转入阻塞状态，防止故障恢复以后带来的环形网络风暴。

如图4所示，一种支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其硬件包括：保护模块4、隔离模块1、电源模块、交换处理功能模块2、CPU控制管理模块3，其中，保护模块4用于对抗各种恶劣电磁环境，提供保护；隔离模块1用于提供信号的隔离；电源模块用于电压的转换和稳压；交换处理功能模块3用于处理正常以太网报文的交换；CPU控制管理模块2用于处理动态路径规划算法以及实现对交换处理功能模块的管理。所述交换机可通过环端口在物理上连接成环，但在逻辑上保持一段链状的通信路径。所述环端口可设置为阻塞状态或转发状态。所述隔离模块为变压器隔离。所述交换处理功能模块包括MAC层和以太网物理层。所述电源模块提供24v直流电源到5v,3.3v,2.5v和/或1.8v电压的转换和稳压。

如图5所示，支持环网动态路径规划的工业以太网交换机的软件主要工作流程是在每个通信的宏周期支持环网动态路径规划的工业以太网交换机除了发送链路检测报文外，还会发送设备声明报文，设备声明报文中包含了交换机中的数据交换信息，用于给动态路径规划提供信息来源

具体说，本发明实施例提供的环形网络中实现动态路径规划的方法中，对动态路径进行规划的过程如下：

1、设备初始化配置，除了交换机的常规配置以外，还包括信息收集报文发送间隔时间、信息收集报文接收超时时间、同步时钟类型、交换设备顺序号、使能端口流量统计；

2、交换设备初始化配置完成后，所有设备应依据精确时钟同步协议（PTP）进行时钟同步，接着进行初始化路径的生成，初始化路径的规划只根据收集到的交换设备的设备序列号进行，最小序列号的设备将其1号环端口配置为阻塞状态，其它所有环端口全部配置为转发状态；

3、初始路径形成以后，整个网络即进入正常的通信状态。环网中的所有交换设备会在信息收集报文发送间隔时间（也即本发明中定义的保持时间HoldTime）发送信息收集报文，所有的信息收集报文均从1号环端口发出，此时主要用于收集各交换设备的流量信息，此流量信息定义为交换设备上除环端口以外所有端口的流量之和，信息收集报文同时也用于发现环网的结构变化，如交换设备的添加、删除和故障等。交换设备收到其它设备发出的信息收集报文时，应如实地添加自身的信息到此报文中并继续传递；

4、网络正常情况下，每个设备都会在信息收集报文接收超时时间之前从2号环端口收到由1号环端口发出的信息收集报文。各个交换设备会分析收到的信息收集报文，找出流量最大的交换设备，称为MidSwitch，其实每个设备的分析结果是一致的。然后MidSwitch会从两个环端口发送路径重组通知报文，告知每一个设备在特定重组时间（ReRouteTime）后清空MAC地址转发表，距离MidSwitch最远的设备（称为EndSwitch）阻塞其1号环端口，同时原EndSwitch的1号环端口进入转发状态。当MidSwitch没有发生变化时，路径重组不进行。在此处还可以设置一个流量的阀值，在最高流量低于该值时不启动路径规划，网络性能不会受到太大的影响，也体现更好的灵活性；

5、如果各交换设备无法收到完整的信息收集报文，则表明网络出现了故障。如果只有单点故障，网络可以进行恢复。当信息收集报文接收超时时间到达时，原有的EndSwitch迅速打开1号环端口便可以使网络恢复正常，进入固定路径阶段，在网络故障恢复之前不会再进行动态的路径规划。在此时间内，没有收到过信息收集报文的环端口则被认为是故障的邻接端口，应将此环端口转入阻塞状态，防止故障恢复以后带来的环形网络风暴。

在上述过程中，所述信息收集报文在不同阶段所收集的信息类型，包括设备序列号和设备流量信息；初始路径规划的主要依据是设备序列号，动态路径规划的依据为设备流量信息；具体路径规划的原则为初始路径规划将最小设备置为EndSwitch，动态路径规划将最大流量设备置为MidSwitch。

在上述过程中，根据最大流量是否超过设定阀值决定是否进行新一轮的路径重组；也可根据信息接收报文是否超时判定网络是否出现故障，故障的情况下进行路径恢复并采用固定路径。

本发明工作原理如下：

在环网中以太网交换设备经过初始化配置并基于IEEE1588协议实现精确时间同步后，即进入初始路径规划状态。初始路径形成以后，网络即可进入正常的运行。然后各个交换设备按照信息收集报文发送时间间隔在各自的一个环端口发送信息收集报文，从另一环端口回收，用于收集环网中所有交换设备的信息。各个交换设备都应向信息收集报文注册自己的信息。当交换设备在信息收集接收超时时间内未收到信息收集报文时，判定出现网络故障，则进行网络恢复，在故障解除之前一直采用固定路径。如果交换设备接收信息收集报文完毕，则对设备信息进行分析，选择更为合理的路径，随后清空FDB表，重新进行路径生成。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种环形网络中实现动态路径规划的方法，其特征在于，在环形网络中，组成环形网络的交换机是对等的、无差别的，交换机通过1号环端口和2号环端口在物理上连接成环，但在逻辑上始终保持一段链状的通信路径，所述路径可根据网络状况进行动态重组，对所述路径进行动态规划的过程如下：

步骤1：交换机初始化配置，其中，除了对交换机进行常规配置外，还需要对信息收集报文发送间隔时间、信息收集报文接收超时时间、同步时钟类型、交换机序列号、使能端口流量统计进行配置；

步骤2：交换机初始化配置完成后，所有交换机依据精确时钟同步协议PTP进行时钟同步；

步骤3：在第一次同步以后，各交换机从1号环端口向网络发送信息收集报文，此次收集的信息为交换机序列号及数量；

步骤4：信息收集结束后，初始化路径的生成只根据收集到的交换机的序列号进行，最小序列号的交换机将其1号环端口配置为阻塞状态，最小序列号的交换机的2号环端口及其他所有交换机的环端口全部配置为转发状态；

步骤5：初始化路径形成以后，整个网络进入正常的通信状态；定义动态路径规划的最小间隔时间为保持时间；

步骤6：保持时间达到以后，各交换机分别从各交换机的1号环端口发送信息收集报文；此时收集的信息包括交换机的序列号、数量及流量信息，其中所述流量信息定义为各交换机上除1号环端口和2号环端口以外其他所有端口的流量之和；

步骤7：信息收集报文同时也用于发现环网的结构变化，包括交换机的添加、删除和故障；交换机收到其它交换机发出的信息收集报文时，添加自身的信息到此报文中并继续传递；

步骤8：根据信息收集报文判断网络是否出现故障；

网络正常情况下，每个交换机都会在信息收集报文接收超时时间之前从2号环端口收到由1号环端口发出的信息收集报文；

当网络出现故障时，各交换机无法收到完整的信息收集报文；

步骤9：根据步骤8的判断结果进行路径动态重组或不进行路径动态重组；其中，

当网络状态正常时，各个交换机收到信息收集报文后进行分析，找出流量最大的交换机MidSwitch，然后MidSwitch从两个环端口发送路径重组通知报文，告知每一个交换机在特定重组时间ReRouteTime后清空MAC地址转发表，距离MidSwitch最远的交换机EndSwitch阻塞其1号环端口，同时步骤4中最小序列号的交换机的1号环端口进入转发状态；当MidSwitch不发生变化时，不进行路径重组；

当网络出现故障且只有单点故障时，当信息收集报文接收超时时间到达时，步骤4中最小序列号的交换机迅速打开其1号环端口便可以使网络恢复正常，进入固定路径阶段，在网络故障恢复之前不会再进行动态的路径规划；在此时间内，未收到信息收集报文的环端口则被认为是故障的邻接端口，将此环端口转入阻塞状态，防止故障恢复以后带来的环形网络风暴。

2.根据权利要求1所述的环形网络中实现动态路径规划的方法，其特征在于，初始化路径的主要依据是交换机序列号，动态路径规划的依据为交换机流量信息；具体路径规划的原则为初始化路径时将最小交换机序列号的设备置为EndSwitch，动态路径规划时将最大流量设备置为MidSwitch。

3.根据权利要求1所述的环形网络中实现动态路径规划的方法，其特征在于，设置流量阈值，在步骤9中，根据最大流量是否超过设定阈值决定是否进行新一轮的路径重组。

4.根据权利要求1所述的环形网络中实现动态路径规划的方法，其特征在于，在步骤9中，根据信息接收报文是否超时判定网络是否出现故障，故障的情况下进行路径恢复并采用固定路径。

5.一种用于执行权利要求1-4任一方法的工业以太网交换机，其特征在于，包括：保护模块、隔离模块、电源模块、交换处理功能模块、CPU控制管理模块，其中，

保护模块用于对抗各种恶劣电磁环境，提供保护；

隔离模块用于提供信号的隔离；

电源模块用于电压的转换和稳压；

交换处理功能模块用于处理正常以太网报文的交换；

CPU控制管理模块用于执行权利要求1-4任一项所述的动态路径规划方法以及实现对交换处理功能模块的管理。

6.根据权利要求5所述的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其特征在于，所述交换机可通过环端口在物理上连接成环，但在逻辑上保持一段链状的通信路径。

7.根据权利要求6所述的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其特征在于，所述环端口可设置为阻塞状态或转发状态。

8.根据权利要求5所述的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其特征在于，所述隔离模块为变压器隔离。

9.根据权利要求5所述的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其特征在于，所述交换处理功能模块包括MAC层和以太网物理层。

10.根据权利要求5所述的支持环网动态路径规划的工业以太网交换机，其特征在于，所述电源模块提供24v直流电源到5v，3.3v，2.5v和/或1.8v电压的转换和稳压。