CN105141494A - 一种低成本以太单环网系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本以太单环网系统及方法，属于以太环网保护技术领域，针对的是工业自动化领域内普遍采用的以太单环网应用需求，能有效降低系统成本而又能满足应用要求。在一个以太单环网应用中，包括一台管理型以太网交换机和理论上无数量限制的非管理型交换机。管理型交换机通过特别构造的以太单环网管理协议，与特别实现的非管理型交换机一起，共同实现以太单环网系统物理成环而逻辑不成环的应用拓扑要求，并能根据网络状态的变化做出动态调整，动态调整时间方面的应用速度要求，能够满足大部分高级别应用系统中50ms的自愈需求。

Description

一种低成本以太单环网系统及方法

技术领域

本发明涉及一种低成本以太单环网系统及方法，属于以太环网保护技术领域，针对的是工业自动化领域内普遍采用的以太单环网应用需求，能有效降低系统成本而又能满足大部分应用的环网自愈要求。

背景技术

能源安全对中国经济的可持续发展极为重要。随着国际能源格局和经济发展方式的转变，能源产业发展呈现绿色环保的新趋势。国际能源未来变化的总趋势是，太阳能、风能等新能源的开发比化石能源更受到重视，新能源产业成为重要的新兴产业。我国新能源产业的发展潜力巨大，其中太阳能资源丰富，三分之二的国土面积年日照时数达到2200小时以上，全国风能资源供给也有约10亿千瓦以上。

太阳能光伏、风能发电等绿色清洁能源的建设，涉及的地域面积往往非常大，发电设施分布分散，形成的区域性节点多。以大量的工业以太网交换设备保证整个系统的正常运行，而工业以太网交换设备又以一个个的单环形式作为主要的互连拓扑形成通信系统，是一种可行、可靠、经济的模式，这是经过多年来的技术实践在业内形成的一种共识。随着我国太阳能光伏、风能发电的大面积推广应用，其建设成本在产业竞争中成直线下降趋势，相对来说，以太网交换设备的价格占比显得突出起来。

以太网通信的常识，以太网成环就会形成网络风暴，若不加以控制，系统很快就会瘫痪。而物理上成环的通信系统能够灵活的应对各种链路故障，具有非常好的系统健壮性。如何让一个物理上成环的以太网变成逻辑上不成环的以太网是以太环网自愈系统的研究主题。

另一个以太网通信的常识，实现以太环网的以太网交换机必须是如图1所示的管理型交换机(同时具有CPU部分和交换部分)，如图2及图3所示的非管理型交换机(只须具有交换部分，ROM部分可有可无)只能构成非环拓朴结构的以太网络，象星形、链形、树形或它们的组合。

如图4所示，在以太单环网中，每台管理型交换机的CPU部分都可以通过交换部分获取以太环网管理信息，藉此可实现整个以太单环网中所有管理型交换机的合作。它们将依据一定的算法，选择其中一台管理型交换机的两个互连端口中的一个，通过其CPU部分控制其交换部分限制所选择的互连端口的通信能力(用“阻塞”这个术语来定义这个动作，该互连端口在被阻塞后将只允许以太环网管理信息通过而阻止其它数据信息通过，该端口又被称为阻塞端口)，使一个物理上环形的网络变成一个逻辑上非环形的网络。

整个以太单环网中所有管理型交换机的这种合作，能依据网络的实际情况动态地选择需要阻塞的互连端口，动态地设定或取消互连端口的阻塞。这样，能够达成的一种最典型的效果是：以太环网中的任何一处链路出现物理断开故障，可保证连在交换端口上的智能设备之间的通信功能不受影响。

通过以上的分析可以看出，没有CPU部分的参与，实现上述以太单环网功能将非常困难。但是，另一方面，以太环网中所有的交换机都是管理型交换机，使得以太环网系统具有非常强的处理能力，实际上它能处理比单环网复杂得多的多环网拓扑结构，也被称作网格拓扑结构，只须把管理协议考虑得足够周全。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种适合新能源建设的低成本的以太单环网系统。本发明的另一个目的是提供一种上述以太单环网系统的方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种低成本以太单环网系统，其特征在于：仅由一台管理型交换机及多台非管理型交换机组成以太单环网，管理型交换机的两个互连端口中的一个作为可阻塞端口，该可阻塞端口为整个以太单环网中唯一可被阻塞的互连端口；非管理型交换机的芯片能够接受清MAC地址表命令，从而当以太单环网中链路完整性发生变化时，重新建立MAC地址表。

本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述的低成本以太单环网系统的通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、保持管理型交换机的可阻塞端口的阻塞状态，由管理型交换机通过除可阻塞端口外的另一个互连端口不停地向以太单环网中发送以太单环网管理协议报文，通过可阻塞端口是否能接收到管理协议报文来探知以太单环网的链路是否完整，若能接收到管理协议报文，则循环执行第一步，若不能接收到管理协议报文，则链路不完整，进入第二步；

第二步、取消可阻塞端口的阻塞状态，使其恢复为新的互连端口，管理型交换机同时通过新的互连端口及原有的互连端口向以太单环网发送报文，同时，管理型交换机向各非管理型交换机发送清MAC地址表命令，各非管理型交换机清除原有的MAC地址表后重新建立新的MAC地址表；

待以太单环网的链路恢复完整后，重新将可阻塞端口设定为阻塞状态，由管理型交换机向各非管理型交换机发送清MAC地址表命令，各非管理型交换机清除原有的MAC地址表后返回第一步。

非管理型交换机不仅没有CPU部分，而且交换部分也因无须有与CPU部分互连的结构而更简化。很明显，非管理型交换机具备成本优势。对于太阳能光伏、风能发电等系统中一个单环中动辄三四十台交换机的情况，以本发明提供的模式组成以太单环网，能实现系统最需要的环网自愈功能，且自愈的时间也能满足要求。

本发明针对工业自动化领域内普遍采用的单环网应用需求，能有效降低系统成本而又能满足大部分应用要求，特别适合新能源建设中大范围采用以太单环网组网的应用需求。

附图说明

图1为管理型交换机原理图；

图2为非管理型交换机一原理图；

图3为非管理型交换机二原理图；

图4为现有的以太单环网示意图；

图5为本发明提供的以太单环网示意图；

图6为本发明提供的以太单环网在链路不完整情况下的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图5所示，本发明提出了低成本以太单环网组成模式的概念，其中保留了一台管理型以太网交换机，由它来构筑以太单环网管理协议，达成应用拓扑要求：

为了简化管理协议的实现，它的两个互连端口的一个(我们可以设定端口编号较大的一个)是整个以太单环网互连端口中唯一的可阻塞端口。在以太单环网的物理链路完整时(即无链路断开故障)，该可阻塞端口被设定为阻塞端口。管理型以太网交换机将通过非可阻塞的另一互连端口(即端口编号较小的那一个)不停地向环中发送以太单环网管理协议报文，发送的速率以能满足应用需求为限，过高的发送速率并不可取，只会带来负担。通过阻塞端口是否能接收到管理协议报文来探知以太单环网的链路是否完整。在确知链路不完整时，立即取消阻塞端口的设定，恢复其互连端口的功能；相反地，在确知链路已由不完整恢复到完整状态时，重新阻塞该可阻塞端口。

以上这种简化并不妨碍物理成环而逻辑不成环的应用拓扑要求，在我们设定的新能源应用中是合适的，也适合我们所知的其它工业自动化应用场合。

对于应用速度要求，由两个主要的方面决定：

一是管理协议报文的发送速率，这个由管理型以太网交换机中的驻留程序设定，发送速率上限由CPU部分的处理能力决定，本发明在实践中做到了间隔10ms一个管理报文的发送速率，但从大部分嵌入式操作系统的负载能力和接收特性考虑，我们最终采用了100ms的管理报文发送速率。如果以此为基础，采用两次确认(200ms)或三次确认(300ms)检测物理链路的完整性，加上设定或取消端口阻塞、下发清MAC地址等动作的时间，以及各非管理型交换机的执行命令的时间，再预留充分的裕度，完全可以达到1秒内的环网自愈时间，而这已经能满足大部分工业自动化应用的要求。

二是交换部分清MAC地址表的能力，这是低成本以太单环网组成模式能否成功的关键。交换部分在实际的运行过程中，依据挂接在其上的智能终端设备(如PLC设备、HMI设备、串口服务器设备等)发来的数据报文中的源MAC地址，逐渐积累起MAC地址与该交换部分端口之间的对应关系，这些对应关系(术语：MAC地址表项)构成MAC地址表。交换部分从一端口(来源端口)接收到一数据报文，查看该报文的目的MAC地址在MAC地址表中是否有对应的端口，如果有，就快速把它从对应的端口转发出去，如果没有，就把它从除来源端口外的所有端口转发出去。

MAC地址表的概念是交换部分的灵魂，它能实现数据报文的高效转发。所谓高效，就是对接收到的数据报文，不需要总是从除来源端口外的所有端口以广播方式转发出去。

如图5及图6所示，一般地，非管理型交换机不具备清MAC地址表的能力，在以太单环网中链路完整性发生变化时，管理型交换机虽然有了设定或取消阻塞端口的动作，数据报文依然按照已经不可能抵达目的地的路径前行。

MAC地址表是动态的，长时间没有使用的表项会从MAC地址表中删除，以便反映外界的变化，这个时间被称作MAC地址表老化时间。一般地，商业应用中MAC地址表老化时间的缺省值，设定在5分钟。

有一种设计方案是，设定短的MAC地址老化时间，以达到快速响应链路完整性发生变化的效果。5分钟的MAC地址表老化时间对于工业自动化以太单环网自愈应用来说太长了，交换部分可以在上电时从ROM处(如果有的话)获得事先设定的更新值，这个值在产品出厂时就已确定，无法灵活更改是其缺陷之一。而且如果真依赖这个老化时间达到工业领域的应用要求，如采用小于1秒的老化时间，会让MAC地址表的效用大大降低，环网中的无用广播报文会大大增加。这种设计方案的实用性非常差。

本发明的设计方案是，如果能够让交换部分从管理型交换机的网络管理报文中接受命令，只须接受清MAC地址表一项命令就可以让低成本以太单环网组成模式变得可行。循着这样的思路去找，发明人找到了适用于非管理型交换机同时又具备这种特性的芯片方案。申请人利用它在实践中证实了低成本以太单环网组成模式的可用性。

Claims (2)

1.一种低成本以太单环网系统，其特征在于：仅由一台管理型交换机及多台非管理型交换机组成以太单环网，管理型交换机的两个互连端口中的一个设定为可阻塞端口，该可阻塞端口为整个以太单环网中唯一可被阻塞的互连端口；非管理型交换机的芯片能够接受清MAC地址表命令，从而当以太单环网中链路完整性发生变化时，重新建立MAC地址表。

2.一种基于如权利要求1所述的低成本以太单环网系统的通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、保持管理型交换机的可阻塞端口的阻塞状态，由管理型交换机通过除可阻塞端口外的另一个互连端口不停地向以太单环网中发送以太单环网管理协议报文，通过可阻塞端口是否能接收到管理协议报文来探知以太单环网的链路是否完整，若能接收到管理协议报文，则循环执行第一步，若不能接收到管理协议报文，则链路不完整，进入第二步；

第二步、取消可阻塞端口的阻塞状态，使其恢复为新的互连端口，管理型交换机同时通过新的互连端口及原有的互连端口向以太单环网发送报文，同时，管理型交换机向各非管理型交换机发送清MAC地址表命令，各非管理型交换机清除原有的MAC地址表后重新建立新的MAC地址表；

待以太单环网的链路恢复完整后，重新将可阻塞端口设定为阻塞状态，由管理型交换机向各非管理型交换机发送清MAC地址表命令，各非管理型交换机清除原有的MAC地址表后返回第一步。