CN105743716B - 一种列车以太网络路径的动态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车以太网络路径的动态规划方法，属于网络通信领域，实现列车以太网络的冗余。该方法利用环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文三种报文，对列车网络路径进行动态规划。环路检测报文主要用来检测拓扑中的环形链路，决定阻塞端口的位置。链路通知报文主要用来通知所有交换设备链路发生变化，同步交换设备控制，降低网络恢复时间。心跳检测报文主要用来检测中继口的链路状态，更可靠的判断中继口链路的状态。本发明可用于网络拓扑固定的单环和多环网络，利用列车中交换设备的位置固定特点，快速对网络路径进行动态规划，以提高响应网络链路结构变化的速度，同时保证交换设备配置简单。

Description

一种列车以太网络路径的动态规划方法

技术领域

本发明属于网络通信领域，涉及一种列车以太网络路径的动态规划方法。

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，由于其具有兼容性好、组网方便、成本低、传输速度快等优点，迅速应用于列车以太网络领域。为了保证列车以太网络的可靠性，单环或者多环网络拓扑被大量采用，当一处物理网络链路断开时，网络数据可以通过其他的冗余链路进行正常的传输。但是，如果通信逻辑链路形成环路，通信数据会在环路内反复传输，从而造成网络风暴，因此，环形网络需要一种方法动态的规划数据传输路径，通过阻塞特定的端口，以保证网络在逻辑链路上没有环路，而当前环形网络的路径规划存在响应时间长或配置实现复杂等缺点。列车中的交换设备往往具有位置固定的特点，可利用该特点快速对网络路径进行动态规划，以提高响应网络链路结构变化的速度，同时保证交换设备配置简单。

如图2所示为一种多环列车以太网络拓扑结构，物理网络链路由10个交换设备组成。交换设备与交换设备相连的接口为中继口，与终端网络设备相连的接口为终端口。每一个交换设备都有一个唯一的MAC(Media Access Control)地址用来标识该设备。为了对以太网络拓扑进行动态规划，交换设备都有一个CPU专门处理逻辑控制工作，交换芯片与CPU相连的以太网接口称之为CPU端口。

在环形网络拓扑结构中，为了保证网络数据的正常传输，需要通过一种方法对列车以太网络路径进行动态规划，其中只有中继口才参与规划过程，而终端口则不参与。在网络链路连接正常的情况下，该方法通过阻塞某些交换设备的某些中继口来保证网络链路在逻辑上是没有环路的。同时，交换设备会实时监测中继口的链路状态，当某些链路断开连接时，该方法会动态的打开阻塞的中继口以保证网络继续保持畅通的状态；当某些链路恢复连接时，该方法会重新阻塞某些中继口以防止网络风暴的形成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在列车中提供一种环形网络路径的动态规划方法，利用列车以太网络拓扑固定的特点，快速对网络路径进行动态规划，提高响应网络链路结构变化的速度。

本发明的技术方案：

一种列车以太网络路径的动态规划方法，步骤如下：

在列车以太网络路径的动态规划方法中所用交换设备的中继口分为上行中继口和下行中继口；该动态规划方法设有三种网络报文，分别为环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文；三种网络报文在数据链路层运行，三种网络报文的目的MAC地址均为组播MAC地址，即当交换设备收到上述三种网络报文时，直接转发至CPU端口，不遵循交换设备正常的转发规则；

环路检测报文包含发送设备的MAC地址和目的端口号，用来检测物理链路是否存在环路。交换设备根据是否收到自身发送的环路检测报文来确定阻塞具体的下行中继口，防止网络拓扑中存在逻辑环路。

链路通知报文向交换设备的所有中继口发送，用来通告其他交换设备链路发生变化，保证交换设备的同步控制。为保证可靠性和快速性，链路通知报文使用多次重发机制，通过TTL(Time To Live)机制限制通信链路中的报文流量，同时采用广播和组播并存的方式发送报文以提高报文扩散的速度。

心跳检测报文周期性向物理链路连接正常的中继口发送，用来检测中继口之间的通信质量。当检测到链路正常，但是接收心跳检测报文超时时，交换设备弃用该链路，同时对网络重新进行一次路径规划。

当交换设备上电启动后，首先配置交换设备，除了配置交换设备的常规配置外，还包括根据网络拓扑配置交换设备的上行中继口和下行中继口、配置报文发送的时间间隔和同步等待时间，然后阻塞所有中继口；再创建两个线程：网络路径控制线程和网络数据接收线程。

网络路径控制线程用来周期性的发送报文，检测交换设备的状态，然后根据不同的状态进行相应的控制，其控制步骤如下：

步骤1，交换设备发送环路检测报文和心跳检测报文，其中环路检测报文只向下行中继口发送；

步骤2，交换设备检测中继口物理链路状态是否发生变化，若发生变化，则发送链路通知报文，将物理链路状态变化通告网络中的其他交换设备，继续执行步骤4；否则执行步骤3；

步骤3，交换设备检查心跳检测报文超时标识和链路通知报文接收标识，如果检查到心跳检测报文超时标识或链路通知报文接收标识，则表示网络路径要重新规划，继续执行步骤4，否则执行步骤7；

步骤4，交换设备检测到中继口物理链路状态发生变化、心跳检测报文超时标识或链路通知报文接收标识时，首先交换设备阻塞自身的所有中继口，等待一个同步等待时间，同步所有交换设备的控制状态，即为阻塞自身的所有中继口，然后执行步骤5；

步骤5，交换设备打开自身的下行中继口，上行中继口保持阻塞状态，然后交换设备在一个同步等待时间内周期性的发送环路检测报文；如果交换设备接收到其他交换设备的环路检测报文，则根据其所携带的MAC地址大小来决定是否丢弃该环路检测报文，或选择性转发该环路检测报文；如果交换设备接收到自身的环路检测报文，则表示网络上存在物理环路，确定待阻塞端口，防止网络风暴的发生，待阻塞端口由环路检测报文中携带的端口号决定，然后执行步骤6；

步骤6，打开交换设备自身的上行中继口，保证网络的正常通信，同时在一个同步等待时间内周期性的清空自身中继口的MAC地址学习表，防止正常数据的转发错误，然后执行步骤7；

步骤7，交换设备采用超时信号量等待延时，然后重新执行步骤1；如果在等待延时期间接收到链路通知报文，则跳出延时，直接进入步骤1，重新开始新的网络路径规划；

网络数据接收线程主要用来接收其他设备发送的环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文，然后针对不同的报文做相对应的处理，其处理过程如下：

如果交换设备接收到环路检测报文，则比较环路检测报文中的MAC地址和自身交换设备的MAC地址的大小，如果前者小，则将环路检测报文原封不动的转发至处于转发状态的下行中继口；如果前者大，则丢弃环路检测报文；如果相等，则判断接收环路检测报文的中继口是否处于转发状态的下行中继口或处于非监听状态的上行中继口，如果是，则阻塞环路检测报文中携带的端口号，否则丢弃报文；

如果交换设备接收到链路通知报文，首先判断TTL的值是否为0，如果是则丢弃链路通知报文，否则将TTL的值减1，同时转发至当前交换设备的其它中继端口；为了防止链路通知报文在复杂的网络路径中重复转发问题，交换设备对链路通知报文只转发两次；

如果交换设备接收到心跳检测报文，则清除超时计时器，如果交换设备的某中继口在超时时间内没有收到相邻交换设备发送的心跳检测报文，则表示该物理链路存在问题，当前交换设备发送链路通知报文，重新规划网络路径。

本发明的有益效果在于该列车以太网络路径的动态规划方法支持单环、多环等多种网络拓扑，同时支持单点和多点故障。该方法利用列车以太网络设备位置固定的优势，可以提高响应网络链路结构变化的速度，同时保证交换设备配置简单。

附图说明

图1是本发明的列车以太网络路径的动态规划方法的总体过程。

图2是本发明的列车环形网络拓扑的结构示意图。

图3是本发明的列车环形网络拓扑出现链路变化时的结构示意图。

图中：1交换设备；2交换设备MAC地址；3终端设备；4阻塞状态的端口；5正常状态的端口；6链路状态断开的链路；7心跳检测报文超时的链路；R1上行中继口；R2下行中继口。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

(1)列车以太网络上电时的路径规划过程

如图2所示为一种多环列车以太网络拓扑图，当交换设备上电启动后，首先配置交换设备，除了配置交换设备的常规配置外，还包括根据网络拓扑配置交换设备的上行中继口和下行中继口、配置报文发送的时间间隔和同步等待时间，然后阻塞所有中继口；再创建两个线程：网络路径控制线程和网络数据接收线程。

网络路径控制线程首先发送环路检测报文和心跳检测报文，其中环路检测报文只向下行中继口发送。因为交换设备上电默认所有的中继口状态都是断开的，因此交换设备认为网络物理链路发生变化，然后发送链路通知报文，将物理链路变化通告网络中的其他交换设备。当网络中的所有交换设备都接收到链路通知报文时，所有交换设备都会进入网络路径规划阶段。交换设备阻塞自身的所有中继口，然后等待一个同步等待时间，以同步网络中的所有交换设备的控制状态。同步完毕之后，交换设备打开自身的下行中继口，上行中继口保持阻塞状态。然后在一个同步等待时间内周期性的发送环路检测报文。如果交换设备接收到网络中的其它交换设备的环路检测报文，则根据环路检测报文中所携带的MAC地址大小来决定是丢弃该环路检测报文，还是选择性转发该环路检测报文。交换设备只会往物理链路状态没有断开的下行中继口转发环路检测报文。如果交换设备接收到自身发送的环路检测报文，则表示网络上存在物理环路，确定待阻塞端口，防止网络风暴的发生，待阻塞端口由环路检测报文中携带的端口号决定。当环路检测报文发送完毕之后，新的网络路径就已经规划完成。交换设备打开自身的上行中继口，保证网络的正常通信，同时在一个同步等待时间内周期性的清空自身中继口的MAC地址学习表，防止正常数据的转发错误。然后采用超时信号量等待延时。如果交换设备在等待延时期间接收到链路通知报文，则立即停止延时。

网络数据接收线程主要用来接收其他设备发送的环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文，然后针对不同的报文做相对应的处理，其处理过程如下：

如果交换设备接收到环路检测报文，则比较环路检测报文中的MAC地址和自身交换设备的MAC地址的大小，如果前者小，则将环路检测报文原封不动的转发至处于转发状态的下行中继口；如果前者大，则丢弃环路检测报文；如果相等，则判断接收环路检测报文的中继口是否处于转发状态的下行中继口或处于非监听状态的上行中继口，如果是，则阻塞环路检测报文中携带的端口号，否则丢弃报文；

如果交换设备接收到链路通知报文，首先判断TTL的值是否为0，如果是则丢弃链路通知报文，否则将TTL的值减1，同时转发至当前交换设备的其它中继端口；为了防止链路通知报文在复杂的网络路径中重复转发问题，交换设备对链路通知报文只转发两次；

如果交换设备接收到心跳检测报文，则清除超时计时器，如果交换设备的某中继口在超时时间内没有收到相邻交换设备发送的心跳检测报文，则表示该物理链路存在问题，当前交换设备发送链路通知报文，重新规划网络路径。

(2)列车以太网络链路变化时的路径规划过程

如图3所示，假设列车以太网络有两处物理链路断开，同时有一条链路检测到心跳检测报文超时。MAC：5、MAC：6、MAC：7和MAC：11的交换设备会检测到链路断开，而MAC：4和MAC：11的交换设备会检测到心跳检测报文超时。MAC：5、MAC：6、MAC：7和MAC：11的交换设备首先阻塞物理链路断开的中继口，然后向自身的所有中继口发送链路通知报文，网络中的其它交换设备接收到链路通知报文后将链路变化标志位置1，同时将链路通知报文转发至当前交换设备的其它中继口。交换设备阻塞自身的所有中继口，同时等待一个同步等待时间，以同步网络中所有交换设备的控制状态。同步完毕之后，交换设备打开自身的下行中继口，上行中继口保持阻塞状态。然后在一个同步等待时间内周期性的发送环路检测报文。网络中的所有交换设备都会接收到其它交换设备发送的环路检测报文。以MAC：3的交换设备为例，它会接收到MAC：9的交换设备发送的环路检测报文，但是因为MAC：3的交换设备接收到的环路检测报文中携带的MAC地址比自身的MAC地址大，所以直接丢弃。同时MAC：3的交换设备也会接收到MAC：1的交换设备发送的环路检测报文，但是因为MAC：3的交换设备接收到的环路检测报文中携带的MAC地址比自身的MAC地址小，所以转发至MAC：3的交换设备的下行中继口。MAC：1的交换设备发送的环路检测报文经过MAC：9和MAC：3的交换设备的转发重新回到MAC：1的交换设备，此时MAC：1的交换设备阻塞对应的下行中继口。交换设备打开自身的上行中继口，保证网络的正常通信，同时在一个同步等待时间内周期性的清空自身中继口的MAC地址学习表。至此，新的网络路径就已经规划完成。MAC：4和MAC：11的交换设备检测到心跳检测报文超时后所进行的操作与MAC：5、MAC：6、MAC：7和MAC：11的交换设备检测到物理链路断开所做的操作一致。

Claims (1)

1.一种列车以太网络路径的动态规划方法，其特征在于，步骤如下：

在列车以太网络路径的动态规划方法中所用交换设备的中继口分为上行中继口和下行中继口；该动态规划方法设有三种网络报文，分别为环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文；三种网络报文在数据链路层运行，环路检测报文和心跳检测报文的目的MAC地址均为组播MAC地址，链路通知报文的目的MAC地址为组播MAC地址和广播MAC地址，即当交换设备收到上述三种网络报文时，直接转发至CPU端口，不遵循交换设备正常的转发规则；

环路检测报文包含发送设备的MAC地址和目的端口号，用来检测物理链路是否存在环路；交换设备根据是否收到自身发送的环路检测报文来确定阻塞具体的下行中继口，防止网络拓扑中存在逻辑环路；

链路通知报文向交换设备的所有中继口发送，用来通告其他交换设备链路发生变化，保证交换设备的同步控制；链路通知报文使用多次重发机制，通过TTL机制限制通信链路中的报文流量，同时采用广播和组播并存的方式发送报文以提高报文扩散的速度；

心跳检测报文周期性向物理链路连接正常的中继口发送，用来检测中继口之间的通信质量；当检测到链路正常，但是接收心跳检测报文超时时，交换设备弃用该链路，同时对网络重新进行一次路径规划；

当交换设备上电启动后，首先配置交换设备，除了配置交换设备的常规配置外，还包括根据网络拓扑配置交换设备的上行中继口和下行中继口、配置报文发送的时间间隔和同步等待时间，然后阻塞所有中继口；再创建两个线程：网络路径控制线程和网络数据接收线程；

网络路径控制线程用来周期性的发送报文，检测交换设备的状态，然后根据不同的状态进行相应的控制，其控制步骤如下：

步骤1，交换设备发送环路检测报文和心跳检测报文，其中环路检测报文只向下行中继口发送；

步骤2，交换设备检测中继口物理链路状态是否发生变化，若发生变化，则发送链路通知报文，将物理链路状态变化通告网络中的其他交换设备，继续执行步骤4；否则执行步骤3；

步骤3，交换设备检查心跳检测报文超时标识和链路通知报文接收标识，如果检查到心跳检测报文超时标识或链路通知报文接收标识，则重新规划网络路径，继续执行步骤4，否则执行步骤7；

步骤4，交换设备检测到中继口物理链路状态发生变化、心跳检测报文超时标识或链路通知报文接收标识时，首先交换设备阻塞自身的所有中继口，等待一个同步等待时间，同步所有交换设备的控制状态，即为阻塞自身的所有中继口，然后执行步骤5；

步骤5，交换设备打开自身的下行中继口，上行中继口保持阻塞状态，然后交换设备在一个同步等待时间内周期性的发送环路检测报文；如果交换设备接收到其他交换设备的环路检测报文，则根据其所携带的MAC地址大小决定是否丢弃该环路检测报文，或选择性转发该环路检测报文；如果交换设备接收到自身的环路检测报文，则表示网络上存在物理环路，确定待阻塞端口，防止网络风暴的发生，待阻塞端口由环路检测报文中携带的端口号决定，然后执行步骤6；

步骤6，打开交换设备自身的上行中继口，保证网络的正常通信，同时在一个同步等待时间内周期性的清空自身中继口的MAC地址学习表，防止正常数据的转发错误，然后执行步骤7；

步骤7，交换设备采用超时信号量等待延时，然后重新执行步骤1；如果在等待延时期间接收到链路通知报文，则跳出延时，直接进入步骤1，重新开始新的网络路径规划；

网络数据接收线程用来接收其他设备发送的环路检测报文、链路通知报文和心跳检测报文，然后针对不同的报文做相对应的处理，其处理过程如下：

如果交换设备接收到环路检测报文，则比较环路检测报文中的MAC地址和自身交换设备的MAC地址的大小，如果前者小，则将环路检测报文原封不动的转发至处于转发状态的下行中继口；如果前者大，则丢弃环路检测报文；如果相等，则判断接收环路检测报文的中继口是否处于转发状态的下行中继口或处于非监听状态的上行中继口，如果是，则阻塞环路检测报文中携带的端口号，否则丢弃报文；

如果交换设备接收到链路通知报文，首先判断TTL的值是否为0，如果是则丢弃链路通知报文，否则将TTL的值减1，同时转发至当前交换设备的其它中继端口；为了防止链路通知报文在复杂的网络路径中重复转发问题，交换设备对链路通知报文只转发两次；

如果交换设备接收到心跳检测报文，则清除超时计时器，如果交换设备的某中继口在超时时间内没有收到相邻交换设备发送的心跳检测报文，则表示该物理链路存在问题，当前交换设备发送链路通知报文，重新规划网络路径。