CN104767597B - 一种以太网的冗余控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种以太网的冗余控制方法及装置，该方法包括：主站获取所有未发送反馈数据包的从站，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站，通过与断网从站传输距离最短的端口向断网从站与端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与另一端口之间的从站发送业务数据包。这样在从站发生故障或者是断网时，主站将及时的调整数据包的发送序列，使得系统的下发数据包时可以有效的避免断网从站，实现了系统的快速恢复，从而提升了系统通讯效率以及稳定性。

Description

一种以太网的冗余控制方法及装置

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其涉及一种以太网的冗余控制方法及装置。

背景技术

将以太网应用于现场的工业环境已经成为工业控制的一个重要发展方向。当前的工业以太网可以由主站和多个从站组成的环形拓扑结构（如图1所示）。

在工业现场中，环境因素比较复杂，电磁干扰、温湿度变化、振动等因素均可导致工业以太网中的节点出现故障，由于故障节点处于以太网链路中，因此会导致后续的网络失效，甚至造成整个系统瘫痪。

发明内容

本发明提供了一种以太网的冗余控制方法及装置，用以解决现有技术中工业以太网一个故障节点导致后续网络失效，甚至造成整个系统瘫痪的问题。

其具体的技术方案如下：

一种以太网冗余的控制方法，所述以太网中包括依次连接多个从站和主站，所述依次连接的多个从站所形成的链路的一端连接至主站的一个端口，链路的另一端连接至主站的另一端口，包括：

主站获取所有未发送反馈数据包的从站；

在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

通过与所述断网从站传输距离最短的端口向所述断网从站与所述端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包。

可选的，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站，包括：

获取所有未发送反馈数据包的从站的从站标识，并根据从站标识确定出与主站的端口传输距离最短的从站；

若是在连续3次未接收到所述从站的反馈数据包时，则确定所述从站为断网从站。

可选的，在通过另一端口向所述断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包之后，还包括：

在未接收到断网从站的反馈数据时，则确定所述断网从站发生故障，生成并输出表征所述断网从站发生故障的告警信息。

可选的，在主站获取所有未发送反馈数据包的从站之前，还包括：

在所述依次连接的多个从站中确定出处于中间位置的中心从站；

通过一个端口向所述端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包，通过另一端口向所述中心从站以及所述另一端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包。

可选的，所述业务数据包携带与从站之间的时间计数器的偏差值，所述偏差值用于使从站同步调整时间计数器。

一种以太网的冗余装置，所述以太网中包括依次连接多个从站和主站，所述依次连接的多个从站所形成的链路的一端连接至主站的一个端口，链路的另一端连接至主站的另一端口，包括：

获取模块，用于获取所有未发送反馈数据包的从站；

确定模块，用于在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

发送模块，用于通过与所述断网从站传输距离最短的端口向所述断网从站与所述端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包。

可选的，所述确定模块，具体用于获取所有未发送反馈数据包的从站的从站标识，并根据从站标识确定出与主站的端口传输距离最短的从站，若是在连续3次未接收到所述从站的反馈数据包时，则确定所述从站为断网从站。

可选的，还包括：

处理模块，用于在未接收到断网从站的反馈数据时，则确定所述断网从站发生故障，生成并输出表征所述断网从站发生故障的告警信息。

可选的，所述发送模块，具体用于在所述依次连接的多个从站中确定出处于中间位置的中心从站，通过一个端口向所述端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包，通过另一端口向所述中心从站以及所述另一端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包。

可选的，所述发送模块，具体用于发送携带与从站之间的时间计数器的偏差值的业务数据包。

本发明实施例提供了一种冗余方法，该方法包括：主站获取所有未发送反馈数据包的从站，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站，通过与断网从站传输距离最短的端口向断网从站与端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与另一端口之间的从站发送业务数据包。这样在从站发生故障或者是断网时，主站将及时的调整数据包的发送序列，使得系统的下发数据包时可以有效的避免断网从站，实现了系统的快速恢复，从而提升了系统通讯效率以及稳定性。

附图说明

图1为现有技术中工业以太网的组网结构示意图；

图2为本发明实施例中环形网络拓扑结构的示意图；

图3为本发明实施例中一种以太网的冗余控制方法流程图；

图4为本发明实施例中链路重组后的环形网络拓扑结构的示意图；

图5为本发明实施例中另一种链路重组后的环形网络拓扑结构的示意图；

图6为本发明实施例中多环形网络拓扑结构的示意图；

图7为本发明实施例中星形网络拓扑结构的示意图；

图8为本发明实施例中链路重组后的星形网络拓扑结构的示意图；

图9为本发明实施例中另一种以太网冗余装置的结构示意图。

具体实施方式

当前的工业以太网都采用环形网络拓扑结构，比如说图2所示的环形网络拓扑结构，图2中主站包括了端口E1以及端口E2，端口E1连接从站1，从站1连接从站2，然后依次连接至最后一个从站N，然后从站N接回主站的的E2端口，这样主站与从站之间就形成一个环形网络拓扑结构。

但是，若是在环形网络拓扑结构中的某一个从站发生故障时，则故障点之后的从站将无法接收到主站发送的业务数据包，并且从站也无法将反馈数据包发送至主站，这样就会造成部分网络失效，甚至会造成整个系统的瘫痪。

因此本发明实施例提供了一种以太网的冗余方法来解决上述的问题。下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明。

首先来讲，若当前的工业以太网按照图2搭建，在主站与从站之间通过标准网线连接之后，由主站与从站组成的系统将进行如下阶段：

1）、初始化阶段

系统上电，主站与从站都进入到等待状态，并各自进行初始化，此时系统将监测主站中用于记录时间戳的时间记录模块是否准备好，并且还将监测用于生成数据包的微处理器是否准备好从站的配置数据，若都准备好，则系统进入到“计算ID阶段”。

2）、计算ID阶段

以图2说明，主站通过端口E1向第一个从站下发计算ID数据包，在该计算ID数据包中携带了初始ID以及从站配置信息，在第一个从站接收到主站发送的计算ID数据包时，第一个从站将解析出计算ID数据包中的初始ID，并对初始ID做对应调整，比如说在初始ID上加1，从而第一个从站将处理后得到的ID作为自身的ID，然后第一个从站将自身的ID反馈至主站。同时第一个从站会将携带有自身ID的计算ID数据包转发至第二个从站，第二从站在接收到计算ID数据包时，会将计算ID数据包中的ID加1，然后第二个从站将得到的ID作为自身的ID，同时第二个从站将得到的ID反馈至主站。后续的所有从站都与第一个从站或者第二个从站的处理方式相同，直至链路的最后的一个从站。

比如说：计算ID数据包中的初始ID为0，从站1接收到计算ID数据包时，从站1将在初始ID上加1得到自身的ID为1，从站1将向从站2转发携带ID为1计算ID数据包，从站2在从站1的ID上加1，这样从站2得到的ID为2，当然从站3得到的ID就为3，最后该计算ID数据包将返回至端口E2，这时主站将获取计算ID数据包中的ID为N，该ID说明了该系统中包含了N个从站，这样计算ID阶段完成，此时将进入到数据传输阶段。

3）、数据传输阶段

在本发明实施例中为了提升系统的通讯效率，因此系统中的从站被划分为两条通讯链路，该分界点可以选择从站的中间点位置，即N/2作为分界点，此时主站将通过端口E1向从站1至从站N/2发送业务数据包，同时主站将通过端口E2向从站（N+1）/2至从站N发送业务数据包。这样整个系统会形成两条独立的链路，而这两条链路分别使用主站的端口号作为这个两条链路的链路编号，即：链路E1和链路E2。在本发明实施例中分割点除了在从站的中间点位置之外，还可以将其他位置作为分割点，比如说从站3或者从站4或者从站N-1等从站，另外，从站N/2与从站（N+1）/2之间处于虚段的状态，也就是从站N/2与从站（N+1）/2之间通过网线连接但不存在数据通讯。

主站通过端口E1以及端口E2向从站发送的业务数据包中携带检测信息，该检测信息用于检测网络中的断网从站，链路E1的从站接收到通过端口E1发送的业务数据包之后，若从站未断开网络并且运行正常时，从站将基于业务数据包中的检测信息生成反馈数据包，并且将反馈数据包通过端口E1返回至主站，若是从站断开网络或者是发生故障时，则主站将无法接收到从站返回的反馈数据包。

因此主站为了记录从站是否断开网络或者是发生故障，主站保存有了置位表，该置位表中保存了各个从站的标识以及各个从站的连通状态，具体如表1所示：

从站标识	连通状态
		1	1
2	1
		3	0
4	1
		。。。。。。	。。。。。。。
N	1

表1

其中，连通状态中的1表征接收到从站返回的反馈数据包，0表征未接收到从站返回的反馈数据包。因此，通过表1中的所记录的数据就能够确定出当前系统中有哪个或者哪些从站未返回反馈数据包，当然表1在主站接收到从站的反馈数据包之后将进行更新。

若是在某一个通讯周期结束时，主站检测到存在未返回反馈数据包的从站，该主站将进入到如图3所示的冗余方法的流程：

S301，获取所有未发送反馈数据包的从站；

S302，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

S303，通过与断网从站传输距离最短的端口向断网从站与端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与另一端口之间的从站发送业务数据包。

具体来讲，如图2所示的网络拓扑结构，当系统中所有从站都正常工作时，在图2中主站通过端口E1向从站1～从站N/2发送业务数据包，通过端口E2向从站（N+1）/2～从站N发送业务数据包。

若是主站的某一时刻未检测到从站3～从站N/2发送的反馈数据包时，则主站将确定系统中存在断网从站，此时主站将获取所有未发送反馈数据包的所用从站，当然主站可以通过从站标识可以是从站ID或者是从站物理地址来确定出未发送反馈数据包的从站，即：3～N/2，然后主站将在所有未发送反馈数据包的从站中确定出与主站的端口传输距离最短的从站，很明显从站3与端口E1的传输距离最短，此时主站将从站3确定为断网从站。此时主站将改变从端口E1以及端口E2发送业务数据包的序列，即：主站将通过端口E1向从站1～从站3发送业务数据包，同时通过端口E2向从站3～从站N发送业务数据包（如图4所示）；

若是主站的某一时刻未检测到从站N/2+1～从站N-2发送的反馈数据包时，则主站将确定系统中存在断网从站，此时主站将获取所有未发送反馈数据包的所有从站，即：N/2+1～N-2，然后主站将在所有未发送反馈数据包的从站中确定出与主站的端口传输距离最短的从站，很明显从站N-2与端口E2的传输距离最短，此时主站将从站N-2确定为断网从站。此时主站将改变从端口E1以及端口E2发送业务数据包的序列，即：主站将通过端口E1向从站1～从站N-2发送业务数据包，同时通过端口E2向从站N-1～从站N发送业务数据包（如图5所示）;

这样即使链路E1或者是E2链路中存在断网从站，主站将及时的调整数据包的发送序列，使得系统的下发数据包时可以有效的避开断网从站，实现了系统的快速恢复，从而提升了系统通讯效率以及稳定性。

另外，在本发明实施例中为了避免环境温度变化或者是电磁干扰等因素造成从站短暂断网的问题，因此在本发明实施例的表1中除了记录从站标识以及连通状态之外，还可以记录从站未发送反馈数据包的次数，具体如表2所示：

从站标识	连通状态	未反馈次数
			1	1	0
2	1	0
			3	0	3
4	1	0
			。。。。。。	。。。。。。	。。。。。。
N	1	0

表2

若是该从站连续M个通讯周期都未返回反馈数据包，则确定该从站为断网从站，此处的M可以取1、2、3、4等正整数，比如表2中检测连续3次未接收到从站3反馈的数据包，则确定从站3为断网从站，然后主站将调整业务数据包的发送序列，即：通过端口E1向从站1～从站3发送业务数据包，同时通过端口E2向从站3～从站N发送业务数据包。

进一步，若从站3为E1链路的断网从站，并且在下一个通讯周期，主站的发送序列从图2调整为图4时，主站向从站3发送业务数据包之后，若是主站接收到从站3返回的反馈数据包时，则说明从站3与从站2之间的网线断开，而不是从站3发生故障；若是主站仍然未收到从站3返回的的反馈数据包时，则主站将确定从站3已经发生故障，此时主站将生成并输出报警信息，该报警信息提示网络管理员从站3发生故障。

在上述冗余方法是应用到环形网络拓扑结构的过程，该方法还可以应用到其他网络拓扑结构中，具体如图6所示，在图6中主站连接了3个独立的环形拓扑结构，主站可以对每一个单独的环形结构都进行故障检测，并确定出断网从站，并按照上述的方式重新确定主站业务数据包的发送序列，其具体的过程在此就不再赘述。

另外，该冗余方法还可以应用到如图7所示星形网络拓扑结构中，在该星形网络拓扑结构中主站通过端口E2与M个从站形成一条链路，即：E2链路，该E2链路的末端为冗余从站，主站通过端口E2向E2链路中的M个从站发送业务数据包；主站通过端口E3与N个从站形成E3链路，该E3链路中的末端为冗余从站，主站通过端口E3向E3链路中的N个从站发送业务数据包；当然还包括E4链路，主站通过端口E4向E4链路中的P个从站发送业务数据包，链路中的相邻冗余从站之间通过网线连接，但是不存在数据通讯。

若是E3链路中的从站2为断网从站时，则主站将对E2以及E3链路形成的环形链路重新进行ID计算，然后端口E3向E3链路中的从站1发送业务数据包，同时主站通过端口E2向E2链路中的从站1至从站M+N-1发送业务数据包（如图8所示），这样就可以避免E3链路因为从站2的故障导致链路中的后续从站失效的问题，从而有效的避开了故障从站，提升了系统的稳定以及通讯效率。

进一步，在本发明实施例中主站在下发的业务数据包中不仅携带了检测信息，还携带了同步信息，也就是说主站在对从站进行故障检测的同时还将实现与从站之间的同步过程，具体如下：

主站在下发至从站的业务数据包中携带了同步信息，该同步信息为主站与从站的时间计数器之间的偏差值。从站在接收到携带偏差值的业务数据包时，从站将根据该业务数据包调整自身的时间计数器，从而保证与主站的时间计数器同步。

其中该偏差值通过公式（1）得到：

T_s＝[(T_{Z_tran}+T_{Z_rev})-T_m]/2 （1）

T_{Z_tran}为主站向从站发送业务数据包时，主站将记录的下发业务数据包的发送时刻；T_{Z_rev}为主站接收到从站返回的携带时间戳的反馈数据包时，主站将记录接收到该反馈数据包的接收时刻；T_m从站返回的反馈数据包中携带的时间戳，该时间戳T_m为从站接收到主站业务数据包时刻与发送反馈数据包的时刻之和。

该偏差值T_s为本次通讯周期的偏差值，在下一个通讯周期，主站会将该偏差值T_s写入到业务数据包的数据段中，并在下一次通讯周期将携带该偏差值T_s的业务数据包发送至对应反馈数据包中ID的从站。

当然，同步的过程是与故障检测过程同步进行，并且在每个通讯周期都是按照上述的方式循环执行。

对应本发明实施例中一种冗余方法，本发明实施例中还提了一种冗余装置，所述以太网中包括依次连接多个从站和主站，所述依次连接的多个从站所形成的链路的一端连接至主站的一个端口，链路的另一端连接至主站的另一端口，所述装置设置于所述主站中，如图9所示为本发明实施例中一种冗余装置的结构示意图，该装置包括：

获取模块901，用于获取所有未发送反馈数据包的从站；

确定模块902，用于在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

发送模块903，用于通过与所述断网从站传输距离最短的端口向所述断网从站与所述端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包。

进一步，确定模块902，具体用于获取所有未发送反馈数据包的从站的从站标识，并根据从站标识确定出与主站的端口传输距离最短的从站，若是在连续3次未接收到所述从站的反馈数据包时，则确定所述从站为断网从站。

进一步，装置还可以包括处理模块，该处理模块与获取模块901连接，用于在未接收到断网从站的反馈数据时，则确定所述断网从站发生故障，生成并输出表征所述断网从站发生故障的告警信息。

进一步，该装置中的发送模块903具体用于在所述依次连接的多个从站中确定出处于中间位置的中心从站，通过一个端口向所述端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包，通过另一端口向所述中心从站以及所述另一端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包。

进一步，该装置中的发送模块903具体用于发送携带与从站之间的时间计数器的偏差值的业务数据包。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种以太网冗余的控制方法，所述以太网中包括依次连接多个从站和主站，所述依次连接的多个从站所形成的链路的一端连接至主站的一个端口，链路的另一端连接至主站的另一端口，其特征在于，包括：

在所述依次连接的多个从站中确定出处于中间位置的中心从站，通过一个端口向所述端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包，通过另一端口向所述中心从站以及所述另一端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包；

主站获取所有未发送反馈数据包的从站；

在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

通过与所述断网从站传输距离最短的端口向所述断网从站与所述端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站，包括：

获取所有未发送反馈数据包的从站的从站标识，并根据从站标识确定出与主站的端口传输距离最短的从站；

若是在连续3次未接收到所述从站的反馈数据包时，则确定所述从站为断网从站。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过另一端口向所述断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包之后，还包括：

在未接收到断网从站的反馈数据时，则确定所述断网从站发生故障，生成并输出表征所述断网从站发生故障的告警信息。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述业务数据包携带与从站之间的时间计数器的偏差值，所述偏差值用于使从站同步调整时间计数器。

5.一种以太网的冗余控制装置，所述以太网中包括依次连接多个从站和主站，所述依次连接的多个从站所形成的链路的一端连接至主站的一个端口，链路的另一端连接至主站的另一端口，所述装置设置于所述主站中，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所有未发送反馈数据包的从站；

确定模块，在所有未发送反馈数据包的从站中确定与主站的端口传输距离最短的从站为断网从站；

发送模块，用于通过与所述断网从站传输距离最短的端口向所述断网从站与所述端口之间的从站发送业务数据包，通过另一端口向断网从站以及断网从站与所述另一端口之间的从站发送业务数据包。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于获取所有未发送反馈数据包的从站的从站标识，并根据从站标识确定出与主站的端口传输距离最短的从站，若是在连续3次未接收到所述从站的反馈数据包时，则确定所述从站为断网从站；

所述发送模块，具体用于在所述依次连接的多个从站中确定出处于中间位置的中心从站，通过一个端口向所述端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包，通过另一端口向所述中心从站以及所述另一端口与所述中心从站之间的从站发送携带检测信息的业务数据包。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

处理模块，用于在未接收到断网从站的反馈数据时，则确定所述断网从站发生故障，生成并输出表征所述断网从站发生故障的告警信息。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发送模块，具体用于发送携带与从站之间的时间计数器的偏差值的业务数据包。