CN106911585B - 一种环形以太网的负载均衡剪枝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，用于解决传统环形以太网组网剪枝方法造成的网络负载分担不均匀、末端从节点数据传输延迟大的问题。其方法步骤包括：(1)主节点检测端口连接状态；(2)主节点发送链路初始化帧；(3)获取环形以太网从节点与环形以太网主节点两端口的距离之差；(4)剪去冗余链路；(5)用户访问环形以太网外的网络。本发明充分利用主节点阻塞端口的传输能力，实现网络负载均衡；合理选择阻塞节点位置，减小末端从节点的数据经过环形以太网引入的网络延迟。

Description

一种环形以太网的负载均衡剪枝方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及网络通信技术领域中的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法。本发明可用于防止环形以太网中的业务环路，保证上行流量在链路上均衡传输，减小末端从节点数据经过环形以太网引入的网络延迟。

背景技术

环形以太网组网可以提供网络冗余性，提高网络可靠性，因而在工业控制中得到广泛的应用。环形以太网通过将链路中的节点首尾相连，组成以太网环，用户将以太网环上的一个节点配置为主节点，其余节点作为从节点，主节点上一个端口被指定为主端口，另外一个端口被指定为从端口。系统上电后，主节点从逻辑上阻塞从端口，禁止其数据帧转发，将从端口所连接的链路称作冗余链路，从而避免了以太网环上的业务环路，进而避免了媒体访问控制MAC地址表震荡、广播风暴的问题；当以太网环中的链路出现故障时，主节点打开从端口，利用冗余链路恢复业务路径，保证数据正常传输。

华为公司在其申请的专利文献“以太网自动保护倒换方法”(公开号CN101127673，申请号CN2006100621591)中公开了一种以太网自动保护倒换方法。该方法在环形以太网组网的基础上，对链路故障的位置进行检测，当主节点从端口故障或与主节点从端口连接的链路故障时，抑制自动倒换，防止网络拓扑振荡。该方法存在的不足之处是：其一，阻塞端口位于主节点处，导致冗余链路带宽不能被充分利用，网络负载分担不均匀；其二，末端从节点的数据传输到环形以太网外时，需要经过环形以太网中的所有其他从节点，转发时延大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，以解决目前环形以太网中网络负载分担不均匀，末端从节点的数据经过环形以太网引入的网络延迟大的问题。

本发明实现上述目的的步骤包括如下：

(1)主节点检测端口连接状态：

环形以太网主节点检测自身端口的连接状态，当端口链路状态由断开转变为连接时，将该端口的协议帧发送使能寄存器置为有效，组建链路初始化帧，设置链路初始化帧关键字段；

(2)主节点发送链路初始化帧：

(2a)环形以太网主节点选择与协议帧发送使能寄存器的状态对应的链路初始化帧发送端口；

(2b)环形以太网主节点从链路初始化帧发送端口发送链路初始化帧；

(3)获取自身与环形以太网主节点两端口的距离之差：

环形以太网从节点，利用链路初始化帧的跳数值字段，获取自身与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差；

(4)剪去冗余链路：

(4a)所有环形以太网从节点，选举与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点，将其作为末端从节点；

(4b)环形以太网末端从节点，利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口；

(4c)环形以太网从节点将阻塞端口数据转发使能设置为无效，剪去阻塞端口所连接的冗余链路；

(4d)环形以太网从节点组建链路初始化响应帧，设置链路初始化响应帧的关键字段；

(4e)环形以太网末端从节点读取自身的距离寄存器，获取自身的距离寄存器的值，当距离寄存器的值为1时，选择左右端口中未被阻塞的端口作为链路初始化响应帧发送端口；当距离寄存器的值为0时，选择左端口和右端口作为链路初始化响应帧发送端口；

(4f)环形以太网末端从节点从链路初始化响应帧发送端口发送链路初始化响应帧；

(5)用户访问环形以太网外的网络：

(5a)环形以太网从节点比较自身左右端口跳数值寄存器的值，将跳数值寄存器的值较小的端口设置为上行端口；

(5b)环形以太网非末端从节点左右端口检测链路初始化响应帧，当左端口或右端口收到链路初始化响应帧时，将用户端口接收数据使能设置为有效；

(5c)环形以太网从节点用户端口挂载的用户访问环形以太网外的网络，产生上行数据；

(5d)环形以太网从节点通过上行端口发送上行数据；

(5e)上行端口与主节点之间的环形以太网从节点，接收上行数据，将其从自身上行端口发送出去；

(5f)环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口，分别接收本端口和阻塞端口之间的从节点发送的上行数据；

(5g)环形以太网主节点，通过自身上行端口将连入环形以太网的两个端口接收的上行数据转发到环形以太网外。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明中环形以太网主节点接入环形以太网的两个端口，分别接收本端口和阻塞端口之间的从节点发送的上行数据，克服了现有技术中阻塞端口位于主节点处，导致冗余链路带宽不能被充分利用，网络流量负载分担不均匀的问题，使得本发明具有了网络负载分担均匀的优点。

第二，由于本发明中选举与环形以太网主节点接入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点，将其作为末端从节点，利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口，克服了现有技术中末端从节点的数据经过环形以太网引入的网络延迟大问题，使得本发明具有了末端从节点的数据经过环形以太网引入的网络延迟小的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明剪去冗余链路的流程图；

图3是本发明阻塞端口的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，对本发明做进一步的描述。

步骤1，主节点检测端口连接状态。

环形以太网主节点检测自身端口的连接状态，当端口链路状态由断开转变为连接时，将该端口的协议帧发送使能寄存器置为有效，组建链路初始化帧，设置链路初始化帧关键字段。

所述设置链路初始化帧关键字段的步骤如下：

第一步，环形以太网主节点，将链路初始化帧的源媒体访问控制MAC地址设置为00-00-00-00-00-00，将链路初始化帧目的媒体访问控制MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF；

第二步，环形以太网主节点，将链路初始化帧的以太网类型字段设置为链路初始化帧类型；

第三步，环形以太网主节点将链路初始化帧的跳数值字段设置为0。

步骤2，主节点发送链路初始化帧。

第一步，环形以太网主节点选择与协议帧发送使能寄存器的状态对应的链路初始化帧发送端口。

所述环形以太网主节点选择与协议帧发送使能寄存器的状态对应的链路初始化帧发送端口的步骤如下：

第一步，环形以太网主节点分别读取自身连入环形以太网的两个端口的协议帧发送使能寄存器的状态；

第二步，环形以太网主节点判断自身连入环形以太网的两个端口的协议帧发送使能寄存器的状态，两个端口中任意一个端口的协议帧发送使能寄存器被置为有效时，将该端口选择为链路初始化帧的发送端口；两个端口的协议帧发送使能寄存器均被置为有效时，将两个端口同时选择为链路初始化帧的发送端口。

第二步，环形以太网主节点从链路初始化帧发送端口发送链路初始化帧。

步骤3，获取自身与环形以太网主节点两端口的距离之差：

环形以太网从节点，利用链路初始化帧的跳数值字段，获取自身与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差。

利用链路初始化帧的跳数值字段，获取自身与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差的步骤如下：

第一步，环形以太网从节点接收链路初始化帧；

第二步，环形以太网从节点提取链路初始化帧的跳数值字段，将该字段写入接收链路初始化帧的端口的跳数值寄存器，并将接收链路初始化帧端口的跳数值有效寄存器设置为有效；

第三步，环形以太网从节点将链路初始化帧的跳数值字段加1，当从左端口接收链路初始化帧时，从右端口发送修改过的链路初始化帧；当从右端口接收链路初始化帧时，从左端口发送修改过的链路初始化帧；

第四步，环形以太网从节点分别读取左端口和右端口跳数值有效寄存器的状态；

第五步，环形以太网从节点分别判断左端口和右端口跳数值有效寄存器的状态，当环形以太网从节点左端口和右端口跳数值有效寄存器均被设置为有效时，读取环形以太网从节点左端口和右端口跳数值寄存器，获取左端口和右端口跳数值寄存器的值；

第六步，环形以太网从节点将左端口跳数值寄存器的值减去右端口跳数值寄存器的值，得到左右端口跳数值寄存器的差；

第七步，环形以太网从节点将左右端口跳数值寄存器的差取绝对值，并将该绝对值写入自身距离差寄存器。

步骤4，剪去冗余链路：

参照附图2，对剪去冗余链路的步骤进行详细的描述。

第一步，选举末端从节点。

所有环形以太网从节点，选举与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点，将其作为末端从节点。

所述选举与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点的步骤如下：

第一步，所有环形以太网从节点各自读取自身距离差寄存器，获取自身距离差寄存器的值；

第二步，环形以太网从节点判断自身距离差寄存器的值，环形以太网中从节点数目为偶数时，距离差寄存器的值等于1的从节点将自身判决为与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点；环形以太网中从节点数目为奇数时，距离差寄存器的值等于0的从节点将自身判决为与环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口的距离之差最小的从节点。

第二步，选举阻塞端口。

环形以太网末端从节点，利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口。

所述利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口的步骤如下：

第一步，环形以太网从节点分别读取自身左端口和右端口的跳数值寄存器，获取左端口和右端口跳数值寄存器的值；

第二步，环形以太网从节点比较自身左端口和右端口跳数值寄存器的值，左端口和右端口跳数值寄存器的值不相等时，将跳数值寄存器的值较大的端口选举为阻塞端口，将该端口的阻塞标志寄存器设置为有效；左端口和右端口跳数值寄存器的值相等时，将右端口选举为阻塞端口，将该端口的阻塞标志寄存器设置为有效。

参照附图3对选举阻塞端口的步骤进行详细说明。图3中圆形内的数字代表左端口跳数值寄存器的值，正方形内的数字代表左端口跳数值寄存器的值，三角形内的数字代表距离差寄存器的值。图3中A，B，C，D，E，F代表主节点的6个端口。图3中从节点左侧的长方形代表左端口，从节点右侧的长方形代表右端口，从节点下方的长方形代表用户端口，长方形内无填充代表端口可以正常转发数据，长方形内有黑色填充表明端口被阻塞。

本发明的实施例包含5个从节点，从节点3的距离差寄存器的值为0，该节点被选举为阻塞节点，从节点3的左端口和右端口跳数值寄存器的值都为2，其右端口被选举为阻塞端口。

第三步，剪去阻塞端口所连接的冗余链路。

环形以太网从节点将阻塞端口数据转发使能设置为无效，剪去阻塞端口所连接的冗余链路。

第四步，组建链路初始化响应帧。

环形以太网从节点组建链路初始化响应帧，设置链路初始化响应帧的关键字段。

所述设置链路初始化响应帧的关键字段的步骤如下：

第一步，环形以太网主节点将链路初始化帧的源媒体访问控制MAC地址设置为00-00-00-00-00-00，将链路初始化帧的目的媒体访问控制MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF；

第二步，环形以太网主节点将链路始化帧的以太网类型字段设置为链路初始化响应帧类型。

第五步，选择链路初始化响应帧发送端口。

环形以太网末端从节点读取自身的距离寄存器，获取自身的距离寄存器的值，当距离寄存器的值为1时，选择左右端口中未被阻塞的端口作为链路初始化响应帧发送端口；当距离寄存器的值为0时，选择左端口和右端口作为链路初始化响应帧发送端口。

第六步，发送链路初始化响应帧。

环形以太网末端从节点从链路初始化响应帧发送端口发送链路初始化响应帧。

步骤5，用户访问环形以太网外的网络。

第一步，环形以太网从节点比较自身左右端口跳数值寄存器的值，将跳数值寄存器的值较小的端口设置为上行端口。

第二步，环形以太网非末端从节点左右端口检测链路初始化响应帧，当左端口或右端口收到链路初始化响应帧时，将用户端口接收数据使能设置为有效。

第三步，环形以太网从节点用户端口挂载的用户访问环形以太网外的网络，产生上行数据。

第四步，环形以太网从节点通过上行端口发送上行数据。

第五步，上行端口与主节点之间的环形以太网从节点，接收上行数据，将其从自身上行端口发送出去。

第六步，环形以太网主节点连入环形以太网的两个端口，分别接收本端口和阻塞端口之间的从节点发送的上行数据。

第七步，环形以太网主节点，通过自身上行端口将连入环形以太网的两个端口接收的上行数据转发到环形以太网外。

Claims (6)

1.一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，包括如下步骤：

(1)主节点检测左右端口连接状态：

环形以太网主节点检测自身左端口和右端口的连接状态，当左端口或右端口链路状态由断开转变为连接时，将链路状态由断开转变为连接的端口的协议帧发送使能寄存器置为有效，组建链路初始化帧，设置链路初始化帧关键字段；

(2)主节点发送链路初始化帧：

(2a)环形以太网主节点选择与协议帧发送使能寄存器的状态对应的链路初始化帧发送端口；

(2b)环形以太网主节点从链路初始化帧发送端口发送链路初始化帧；

(3)获取自身与环形以太网主节点左右端口的距离之差：

环形以太网从节点，利用链路初始化帧的跳数值字段，获取自身与环形以太网主节点左右端口的距离之差，其具体步骤如下：

第一步，环形以太网从节点接收链路初始化帧；

第二步，环形以太网从节点提取链路初始化帧的跳数值字段，将该字段写入接收链路初始化帧的端口的跳数值寄存器，并将接收链路初始化帧端口的跳数值有效寄存器设置为有效；

第三步，环形以太网从节点将链路初始化帧的跳数值字段加1，当从左端口接收链路初始化帧时，从右端口发送修改过的链路初始化帧；当从右端口接收链路初始化帧时，从左端口发送修改过的链路初始化帧；

第四步，环形以太网从节点分别读取左端口和右端口跳数值有效寄存器的状态；

第五步，环形以太网从节点分别判断左端口和右端口跳数值有效寄存器的状态，当环形以太网从节点左端口和右端口跳数值有效寄存器均被设置为有效时，读取环形以太网从节点左端口和右端口跳数值寄存器，获取左端口和右端口跳数值寄存器的值；

第六步，环形以太网从节点将左端口跳数值寄存器的值减去右端口跳数值寄存器的值，得到左右端口跳数值寄存器的差；

第七步，环形以太网从节点将左右端口跳数值寄存器的差取绝对值，并将该绝对值写入自身距离差寄存器；

(4)剪去冗余链路：

(4a)所有环形以太网从节点，选举与环形以太网主节点左右端口的距离之差最小的从节点，将其作为末端从节点；

(4b)环形以太网末端从节点，利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口；

(4c)环形以太网从节点将阻塞端口数据转发使能设置为无效，剪去阻塞端口所连接的冗余链路；

(4d)环形以太网从节点组建链路初始化响应帧，设置链路初始化响应帧的关键字段；

(4e)环形以太网末端从节点读取自身的距离寄存器，获取自身的距离寄存器的值，当距离寄存器的值为1时，选择左右端口中未被阻塞的端口作为链路初始化响应帧发送端口；当距离寄存器的值为0时，选择左端口和右端口作为链路初始化响应帧发送端口；

(4f)环形以太网末端从节点从链路初始化响应帧发送端口发送链路初始化响应帧；

(5)用户访问环形以太网外的网络：

(5a)环形以太网从节点比较自身左右端口跳数值寄存器的值，将跳数值寄存器的值较小的端口设置为上行端口；

(5b)环形以太网非末端从节点左右端口检测链路初始化响应帧，当左端口或右端口收到链路初始化响应帧时，将用户端口接收数据使能设置为有效；

(5c)环形以太网从节点用户端口挂载的用户访问环形以太网外的网络，产生上行数据；

(5d)环形以太网从节点通过上行端口发送上行数据；

(5e)上行端口与主节点之间的环形以太网从节点，接收上行数据，将其从自身上行端口发送出去；

(5f)环形以太网主节点的左端口和右端口，分别接收本端口和阻塞端口之间的从节点发送的上行数据；

(5g)环形以太网主节点，通过自身上行端口将左端口和右端口接收的上行数据转发到环形以太网外。

2.根据权利要求1所述的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，其特征在于，步骤(1)中所述的设置链路初始化帧关键字段的步骤如下：

第一步，环形以太网主节点，将链路初始化帧的源媒体访问控制MAC地址设置为00-00-00-00-00-00，将链路初始化帧目的媒体访问控制MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF；

第二步，环形以太网主节点，将链路初始化帧的以太网类型字段设置为链路初始化帧类型；

第三步，环形以太网主节点将链路初始化帧的跳数值字段设置为0。

3.根据权利要求1所述的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的环形以太网主节点选择与协议帧发送使能寄存器的状态对应的链路初始化帧发送端口的步骤如下：

第一步，环形以太网主节点分别读取自身左右端口的协议帧发送使能寄存器的状态；

第二步，环形以太网主节点判断自身左右端口的协议帧发送使能寄存器的状态，左端口协议帧发送使能寄存器被置为有效且右端口协议帧发送使能寄存器被置为无效时，将左端口选择为链路初始化帧的发送端口；右端口协议帧发送使能寄存器被置为有效且左端口协议帧发送使能寄存器被置为无效时，将右端口选择为链路初始化帧的发送端口；左右端口的协议帧发送使能寄存器均被置为有效时，将左端口和右端口同时选择为链路初始化帧的发送端口。

4.根据权利要求1所述的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的所有环形以太网从节点，选举与环形以太网主节点左右端口的距离之差最小的从节点的步骤如下：

第一步，所有环形以太网从节点各自读取自身距离差寄存器，获取自身距离差寄存器的值；

第二步，环形以太网从节点判断自身距离差寄存器的值，环形以太网中从节点数目为偶数时，距离差寄存器的值等于1的从节点将自身判决为与环形以太网主节点左右端口的距离之差最小的从节点；环形以太网中从节点数目为奇数时，距离差寄存器的值等于0的从节点将自身判决为与环形以太网主节点左右端口的距离之差最小的从节点。

5.根据权利要求1所述的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的环形以太网末端从节点，利用左端口和右端口的跳数寄存器的值的大小关系选举阻塞端口的步骤如下：

第一步，环形以太网从节点分别读取自身左端口和右端口的跳数值寄存器，获取左端口和右端口跳数值寄存器的值；

第二步，环形以太网从节点比较自身左端口和右端口跳数值寄存器的值，左端口和右端口跳数值寄存器的值不相等时，将跳数值寄存器的值较大的端口选举为阻塞端口，将该端口的阻塞标志寄存器设置为有效；左端口和右端口跳数值寄存器的值相等时，将右端口选举为阻塞端口，将该端口的阻塞标志寄存器设置为有效。

6.根据权利要求1所述的一种环形以太网的负载均衡剪枝方法，其特征在于，步骤(4d)中所述设置链路初始化响应帧的关键字段的具体步骤如下：

第一步，环形以太网主节点将链路初始化帧的源媒体访问控制MAC地址设置为00-00-00-00-00-00，将链路初始化帧的目的媒体访问控制MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF；

第二步，环形以太网主节点将链路始化帧的以太网类型字段设置为链路初始化响应帧类型。