CN107241249B - 以太总线交换机、以太总线系统以及数据通讯方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种以太总线交换机。其包括交换逻辑组件以及传输逻辑组件，传输逻辑组件的数据重组单元将来自设备端口的数据帧复制一份以便路由决策单元将该数据帧路由到所述一对网络链接端口方向。传输逻辑组件的数据重组单元将来自所述一对网络链接端口之一的具有总线属性并且目的地MAC地址为本地设备端口上的总线设备的MAC地址的数据帧复制一份，以便路由决策单元将该数据帧路由到设备端口方向和所述一对网络链接端口的另一个端口方向，从而以单播方式实现点对多点的通讯。本公开还涉及由多个以太总线交换机构成的以太总线系统。

Description

以太总线交换机、以太总线系统以及数据通讯方法

技术领域

本公开涉及一种以太总线交换机、包含以太总线交换机的以太总线系统以及利用其的数据通讯方法，尤其是能够实现交叉通讯和无损监听数据通讯方法。

背景技术

传统总线物理上采用向下对设备广播，向上分时的方式实现了半双工的通讯。传统总线通讯模式的特点是：数据时延、抖动小，点对多点的半双工通讯模式。但是传统总线通讯模式几乎无数据冗余保护机制，并且线缆数量多，布线复杂，容错率低，成本高，带宽小，只有9600～12Mbps，速率较低。而且，传统总线的系统通信模式不能实现全双工通信，因此效率比较低。

随着以太网技术的发展，传统以太网交换系统可采用点对点的单播通信和点对多点广播/组播单向通信，并可以实现全双工通信。以太网设备成本、线缆成本低、速度快(100M、1000M、万兆)，并采用全双工通信机制，具有共享、开放、统一化程度高、互联性好。但是由于以太网的传输特性，导致网络的确定性、实时性、稳定性不如总线通信。

因此，如果能将传统总线的优势结合以太技术，其能够既使得数据传输过程中具有传统总线进行数据通讯时的点对多点的确定性、实时性以及稳定性的优点又能够获得传统以太网的高速、全双工通信的优点的通讯。

发明内容

为了消除现有传统总线以及以太网中存在上述问题，根据本公开的一个方面，提出了一种以太总线交换机，包括：一个或多个设备端口；一对网络链接端口；交换逻辑组件，发送或接收数据帧，并基于源MAC地址学习机制学习所接收到的数据帧的源设备MAC地址并存储在MAC地址表中；以及传输逻辑组件，包括路由决策单元和数据重组单元，所述数据重组单元将来自设备端口的数据帧复制一份以便路由决策单元将该数据帧路由到所述一对网络链接端口方向，以及数据重组单元将来自所述一对网络链接端口之一的具有总线属性并且目的地MAC地址为本地设备端口上的总线设备的MAC地址的数据帧复制一份，以便路由决策单元将该数据帧路由到设备端口方向和所述一对网络链接端口的另一个端口方向，从而以单播方式实现点对多点的通讯。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述数据重组单元为从设备端口经由交换逻辑组件发送的数据帧添加数据帧ID以及为从路由决策单元接收的数据帧剥离数据帧ID。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述数据帧ID包含有基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述数据帧ID包含有源交换机ID、目的地交换机ID以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述数据重组单元在来自所述一对网络链接端口之一的数据帧中的源MAC地址与本地总线设备的MAC地址相同时，将该数据帧中的路由协议字段中的源信息和目的地信息进行交换以便实现重组。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述路由决策单元对来自所述一对网络链接端口之一的目的地MAC地址不是本地设备端口上的设备的MAC地址的数据帧只路由到所述一对网络链接端口的另一个端口方向。

根据本公开的以太总线交换机，其中所述路由决策单元对来自所述一对网络链接端口之一的不具有总线属性并且目的地MAC地址为本地设备端口上的非总线设备的MAC地址的数据帧仅路由到设备端口方向。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种总线系统，由根据本公开的以太总线交换机构成，其中传输线经由以太总线交换机的网络链接端口连接多个以太总线交换机，至少两个以太总线交换机的一个或多个设备端口上连接有至少一个总线设备，以便多个具有相同MAC地址的总线设备能够同时接收目的地为该MAC地址的数据帧，从而以单播形式实现点对多点以及多点对多点的通讯。

根据本公开的又一个方面，提供了在根据本公开的总线架构上进行数据通讯方法，包括：多个第一总线设备之一从第一以太总线交换机的用户设备端口经由第一交换逻辑组件发出具有以太总线属性的第一数据帧；第一以太总线交换机的第一数据重组单元将所接收到的第一数据帧复制一份，并由第一以太总线交换机的第一路由决策单元该第一数据帧及其副本分别路由到该第一以太总线交换机的一对网络链接端口方向；至少一个第二以太总线交换机在经由其成对网络链接端口之一接收到来自第一总线设备的第一数据帧时，在第二以太总线交换机的第二路由决策单元确定第一数据帧的目的地MAC为第二以太总线交换机的用户设备端口上连接的第二总线设备的MAC的情况下，所述第二以太总线交换机的第二数据重组单元将该第一数据帧复制一份，并由第二以太总线交换机的第二路由决策单元将第一数据帧路由到连接到第二以太总线交换机的第二交换逻辑组件的用户设备端口上的第二总线设备方向以及将第一数据帧的副本路由到第二以太总线交换机的成对网络链接端口的另一个端口方向。

根据本公开的数据通讯方法，其还包括：第二路由决策单元在确定第一数据帧的目的地MAC不是第二总线设备的MAC的情况下，直接将第一数据帧路由到第二以太总线交换机的成对网络链接端口的另一个端口方向。

根据本公开的数据通讯方法，其还包括：所述第一数据重组单元在复制第一数据帧之前或同时为第一数据帧添加数据帧ID以及在第二路由决策单元将第一数据帧路由到第二总线设备方向之前或同时第二数据重组单元为第一数据帧剥离所添加数据帧ID。所述数据帧中数据帧ID可以是基于发出该数据帧的端口的数据帧序列号，也开始是基于该用户设备所连接的交换机ID所生成数据序列号，还可以是包含有源交换机ID、目的地交换机ID以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

根据本公开的数据通讯方法，其还包括：在第二路由决策单元确定第一数据帧的源MAC与第二总线设备的MAC相同的情况下，第二数据重组单元将第一数据帧中的路由协议字段中的源信息和目的地信息进行交换以便实现重组；以及第二路由决策单元将经过重组后的第一数据帧路由到第二总线设备方向。所述数据帧中的路由协议字段中的源信息包含了与路由相关的信息，例如包括：MAC地址、IP地址(在有IP层的情况下)、端口号等。

根据本公开的数据通讯方法，其还包括：所述第二路由决策单元在确定第一数据帧的目的地MAC地址不是第二交换逻辑组件的用户设备端口上的设备的MAC地址时，仅仅将第一数据帧路由到第二以太总线交换机的一对网络链接端口的另一个端口方向。

根据本公开的数据通讯方法，其还包括：所述第二路由决策单元在确定来自所述一对网络链接端口之一的数据帧不具有总线属性并且目的地MAC地址为第二交换逻辑组件的用户设备端口上的非总线设备的MAC地址时，仅将该数据帧路由到第二交换逻辑组件的用户设备端口方向。

因此，根据本公开的以太总线交换机以及有这些交换机构成的总线架构能够实现总线设备之间能够采用单播方式实现点对多点的通讯，同时也可以采用单播方式获得多点对多点的通信，由此实现在总线上进行多方通话。既获得通讯的确定性、实时性以及稳定性，又能够获得传统以太网的高速、全双工通信的优点。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示为根据本发明的第一实施例的以太网交换机的原理示意图。

图2所示的是根据本公开的以太总线交换机对用户接入口接收到的数据帧的处理流程图。

图3所示的是根据本公开的以太总线交换机对从网络链接通道接收到的数据帧的处理流程图。

图4所示的是根据本公开的以太总线的示意图。

图5所示的是在根据本公开的以太总线上采用单播方式实现点对多点双向通讯过程的示意图。

图6所示的是根据本公开的无损监听方法的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一以太总线交换机也可以被称为第二以太总线交换机，类似地，第二以太总线交换机也可以被称为第一以太总线交换机。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1所示为根据本发明的第一实施例的以太网交换机的原理示意图。如图1所示，以太总线交换机100包括交换逻辑组件110以及传输逻辑组件120。交换逻辑组件110与传输逻辑组件120之间采用单通道或多通道进行数据交互通讯。交换逻辑组件110具有一个或多个用于接入总线设备的端口105。尽管此处端口可接入总线设备，其也可以接入普通可联网设备。传输逻辑组件120有一对网络链接端口A和B。尽管这里显示为一对网络链接端口A和B，但是其可以有两对网络链接端口。交换逻辑组件110基于源MAC地址学习机制形成源MAC地址表，以便接收和发送数据帧。传输逻辑组件120包括数据重组单元121和路由决策单元122。所述数据重组单元121对需要进行双向发送的数据帧进行复制，路由决策单元122将数据帧以及其副本分别路由两个方向，实现双向发送。

此外，如果需要实现数据帧的碰撞机制，可以为本地发出的数据帧添加基于本地交换机ID生成的数据帧ID。在需要采用特定路由协议的情况下，例如基于交换机的ID进行路由的情况下，该数据重组单元121可以为数据帧添加附加的路由协议数据，例如该路由协议可包含目的交换机ID、源交换机ID以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号(即数据帧ID)。在本公开中，路由决策单元122主要基于数据帧的总线设备属性和目的地MAC进行路由决策。

用于本以太总线交换机的用户设备通常为总线设备。对于目前的网络设备，通常会具有自身固定的MAC地址，用户可以就有自身要求，将一些设备中具有某一类特征数据的MAC定义为总线MAC，由此使得某些将被使用的设备具有总线属性，从而使得其发出的数据帧或以该具有总线特征的MAC地址为目的地的数据帧具有总线属性。或者，对于目前某些连接到本公开的交换机上的设备，将设备自己的MAC地址登记注册在交换机内的登记表中，在所登记的每个MAC地址条目中注明其具有总线属性，由此，使得具有MAC地址的数据帧基于该登记表被识别为具有总线属性的数据帧。可预测而言，随着本公开的交换机的应用范围的扩展，人们为了适应本公开的交换机的应用，可以对今后所有的需要与本公开交换机结合使用的网络设备都赋予一个固定的“总线设备属性”标识，从而交换机将基于该设备的总线属性标识来识别设备的总线属性和与设备相关联的数据帧的总线属性。

所述数据重组单元121为发送的数据帧添加数据帧ID以及为接收的数据帧剥离数据帧ID，而所述路由决策单元122对来自数据重组单元121的具有总线属性的数据帧进行双向发送。因此，根据本公开的以太总线交换机100以及有这些交换机构成的总线架构能够实现总线设备之间能够采用单播方式实现点对多点的通讯，同时也可以采用单播方式获得多点对多点的通信，由此实现在总线上进行多方通话。既获得通讯的确定性、实时性以及稳定性，又能够获得传统以太网的高速、全双工通信的优点。

此外，数据重组单元121还可以通过配置而激活另一种数据重组功能，即当数据重组单元121获知来自所述一对网络链接端口之一的数据帧中的源MAC地址与本地总线设备的MAC地址相同时，可以将该数据帧中的路由协议字段中的源信息(例如，MAC地址、IP地址(在有IP层的情况下)、端口号)和目的地信息(例如，MAC地址、IP地址(在有IP层的情况下)、端口号)进行交换以便实现重组。这样，在两个总线设备具有相同MAC地址的情况下，其中一个总线设备就可以获得另一个总线设备与其他设备之间的通讯信息，从而实现数据通讯的实时监听。

在使用过程中，一方面，以太总线交换机从用户接入端口或设备端口105处收到数据帧，另一方面，交换机会从网络传输通道接收到数据帧。

图2所示的是根据本公开的以太总线交换机对用户接入口接收到的数据帧的处理流程图。如图2所示，在步骤S210处，接收到来自用户设备发出的具有总线设备属性的数据帧。随后，在步骤S215处，数据重组单元121对所接收到的总线属性数据帧添加数据帧ID。该数据帧ID通常包含有该设备所连接的交换机ID以及基于所连接的交换机生成的数据序列号。尽管这里采用交换机ID对数据帧ID进行了说明，但是也可以采用其他方式来设置数据帧ID，例如每个设备独特的设备序列号等。当然，数据帧ID也可以包括用于能够区别出数据帧的来源地的其他特征。通过添加所述数据帧ID，使得该数据帧能够适于在包含有本公开的以太总线交换机的以太网络中进行传输。在数据帧被添加数据帧ID之后，可以对具有总线属性的数据帧进行复制，获得原始数据帧的副本。

随后在步骤S220处，路由决策单元122确定将该数据帧直接将交换机的两个网络连接端口当作一个端口进行路由决策，即同时路由到两个传输通道所对应的端口，由此实现对本地设备端口发出的数据帧的双向发送。这样当位于不同交换机的用户端口上的具有相同MAC地址的总线设别将会同时接收到该数据帧，实现基于单播的点对多点的通讯。

图3所示的是根据本公开的以太总线交换机对从网络链接通道接收到的数据帧的处理流程图。如图3所示，在使用过程中，当源设备，例如为总线设备，向连接到用户接入端口的一个或多个具有设定MAC地址的用户接入设备105发出信号数据帧时，该数据帧通常包含源设备的源MAC地址和目的地设备MAC地址。本公开的以太总线交换机与普通交换机一样能够对源设备的MAC地址进行学习并形成MAC地址表，不同的是，在该MAC地址表中可以包含设备属性信息，例如是否为总线设备。数据帧是否具有总线设备属性，即该数据帧的目的地MAC地址是否具有总线MAC地址属性。可选择地，也可以同时判断源MAC地址和目的MAC地址是否具有总线属性。即通过查找该交换机的MAC地址表，来获知该目的地MAC地址所对应的设备是否为总线设备，由此确定包含有该目的地MAC地址的数据帧是否具有总线数据帧属性。该MAC地址表在学习每个源设备的MAC地址时会同步学习每个MAC地址所对应设备属性，例如是否为总线设备。此外，将成对的网络链接端口配置为一个源MAC地址学习端口，即从网络链接端口A和B自学习到的MAC地址都在MAC地址表中标注为同一个端口。路由决策单元122对来自网络链接通道，例如传输通道A，的数据帧确定其路由方向。首先，在步骤S305处，交换机从其传输通道A接收到数据帧。随后，在步骤S310处，基于包含的数据帧ID确定该数据帧是否从成对网络链接端口的另一侧，例如网络链接通道B，接收到过该数据帧。这种情况在交换机被用于环网的情况在出现，因此需要对其进行碰撞检测。如果接收到过，则路由决策单元122丢弃该数据。如果没有接收到过，则在步骤S315处路由决策单元122确定该数据帧是否具有总线设备属性，即该数据帧的目的地MAC地址是否具有总线MAC地址属性。即通过查找该交换机的MAC地址表，来获知该MAC地址所对应的设备是否为总线设备，由此确定包含有该目的地MAC地址的数据帧是否具有总线数据帧属性。该MAC地址表在学习每个源设备的MAC地址时会同步学习每个MAC地址所对应设备属性，例如是否为总线设备。这样，当路由决策单元122确定该数据帧具有总线属性时，则在步骤S320处，数据重组单元121将该数据帧复制一份。随后，在步骤S325处，路由决策单元122一方面直接将一份数据帧路由到与接收数据帧的传输通道(例如传输通道A)相对的传输通道(例如传输通道B)所属的端口进行转发；另一方面，将另一份数据帧路由到用户接入端口方向。随后，在步骤S330处路由决策单元判断该数据帧的MAC地址是否为本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址。如果判断该MAC地址为本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址，则路由决策单元122则将该数据帧进行路由到用户接入端口上的设备的方向以便下载到本地设备。随后在步骤S335处，由数据重组单元121对该数据帧进行数据帧ID剥离，以便在步骤S340处由交换逻辑组件110将经过数据帧ID剥离的数据帧下载到本地设备。由此，在所接收到的数据帧具有总线设备属性的情况下，路由决策单元122将该数据帧路由到本地用户接入端口和与接收数据帧的传输通道(例如传输通道A)相对的传输通道(例如传输通道A)所属的端口，从而在从传输通道接收的数据帧具有总线属性并且其目的MAC地址为本地设备的MAC地址的情况下实现双向发送。

如果步骤S330处判断该数据帧MAC地址不是本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址，则路由决策单元122则不进行数据向端口的发送，而仅仅在步骤S345处对将数据帧路由到与接收数据帧的传输通道(例如传输通道A)相对的传输通道(例如传输通道A)所属的端口进行转发。这实现了在从传输通道接收的数据帧具有总线属性并且其目的MAC地址不是本地设备的MAC地址的情况下实现直接转发。尽管此处说明书列出了在数据帧MAC地址不是本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址的情况下的判断先后顺序，但是实际上，步骤S330和步骤S320的过程可同步进行，由此在数据帧MAC地址不是本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址的情况下直接获得路由决策结果为仅仅对数据帧进行路由到对策通道方向。

另外，当在步骤S315处当路由决策单元122确定该数据帧不具有总线属性时，则直接在步骤S330处判断该MAC地址是否为本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址。一方面，如果在步骤S330处判断该MAC地址为本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址，则路由决策单元122则将该数据帧进行路由到用户接入端口上的设备的方向以便下载到本地设备。随后在步骤S335处，由数据重组单元121对该数据帧进行数据帧ID剥离，以便在步骤S340处由交换逻辑组件110将经过数据帧ID剥离的数据帧下载到本地设备。这实现了在从传输通道接收的数据帧不具有总线属性并且其目的MAC地址是本地设备的MAC地址的情况下实现直接下载。另一方面，如果在步骤S330处判断该MAC地址不是本地交换机所拥有的用户接入端口上的设备的MAC地址，则路由决策单元122将数据帧路由到与接收数据帧的传输通道(例如传输通道A)相对的传输通道(例如传输通道A)所属的端口进行转发。这实现了在从传输通道接收的数据帧不具有总线属性并且其目的MAC地址不是本地设备的MAC地址的情况下实现直接转发。

为此，基于本公开的以太总线交换机的上述功能，本公开提出了图4所述的一种以太总线系统。图4所示的是根据本公开的以太总线的示意图。如图4所示，其中包括多个根据本公开的以太总线交换机0、以太总线交换机1、以太总线交换机2、……以太总线交换机N+1。其通过传输线经由以太总线交换机的网络链接端口串联在一起。以太总线交换机0下连接有源设备。尽管此处称之为源设备，其实同样也是目的地设备。该源设备可以是普通的总线设备，也可以是非总线设备，或者可以是服务器或控制器。在每个以太总线交换机2、……N+1的用户接入口上连接到总线设备1、总线设备2、……总线设备N+1。尽管图4显示的每个以太总线交换机仅仅连接了一个总线设备，但是每个以太总线交换机上可以连接多个设备，这些设备可以都是总线设备，也可以是非总线设备，还可以是部分总线设备和部分非总线设备。

正如上面参照图2和图3所描述的数据交换过程，处于总线中的各个设备之间可以进行结合图2和图3所描述的数据交换过程。举例而言，当例如源设备，其具有MAC1地址，可以为总线设备或非总线设备。当源设备向一个或多个具有相同MAC2地址的总线设备发送数据帧时，(例如向总线设备1和总线设备2发送数据帧时，总线设备1和总线设备2都会收到该数据帧。因此，源设备发出的数据帧尽管为单播数据帧，但是其实现了广播或组播的功能，即点对多点的数据发送功能。随后，总线设备1和总线设备2都会对所接收到的数据帧作出响应，每一个响应都包含有源设备的MAC1地址作为目的地地址，并且包含有各自的数据帧ID。由此，源设备会收到总线设备1和总线设备2的响应，由此实现点对多点甚至多点对多点的双向通信。

图5所示的是在根据本公开的以太总线上采用单播方式实现点对多点双向通讯过程的示意图。如图5所示，以太总线交换机将同类设备(具有相同MAC地址的设备)视为一个设备，即配置为同一个MAC地址，这样，当同类设备回应源设备后，该MAC地址就会学习到用户接入端口和网络链接端口上，而根据本公开的以太总线交换机100设定用户接入端口和网络链接端口为独立的学习机制，例如，接入端口学习MAC地址，网络链接端口学习的是源交换机的ID。基于类似于以太网源MAC学习机制，传输逻辑组件120会将源设备发来的数据同时传输到这两个网络链接端口上，这样，所有的总线设备就会接收到源设备发来的数据帧。同时，源设备也可以接收到所有总线设备的回应数据帧。如果在这种以太总线架构中仅仅采用传统交换机，当同一交换机的两个端口学习到同一个MAC地址时，由于单播的点对点传输机制就会出现目标地址冲突的情况，无法做到点对多点的数据通信。双向转发和点对多点以及多点对多点的双向通讯是普通的总线以太网所不能实现的功能。

基于本公开的以太总线交换机100的结构和特有性能，本公开可以提供了一种能够基于单播形式实现点对多点和多点对多点的数据通讯方法。结合图4而言，第一以太总线交换机100(如图中的以太总线交换机1)上连接有一个或多个第一总线设备(总线设备1)，其经由第一交换逻辑组件发出具有以太总线属性的第一数据帧。第一以太总线交换机100的第一数据重组单元121将所接收到的第一数据帧复制一份，并由第一以太总线交换机的第一路由决策单元122该第一数据帧及其副本分别路由到该第一以太总线交换机100的一对网络链接端口方向。

第二以太总线交换机100(例如图4中的太总线交换机0、太总线交换机2)经由其各自的网络链接端口之一接收到自第一以太总线交换机100转发来的第一数据帧或其副本(以下统称为第一数据帧)。在第二以太总线交换机100经由其成对网络链接端口之一接收到来自第一总线设备的第一数据帧时，第二以太总线交换机的第二路由决策单元122会确定第一数据帧的目的地MAC是否为第二以太总线交换机的用户设备端口上连接的第二总线设备的MAC。如果是，则所述第二以太总线交换机100的第二数据重组单元121将该第一数据帧复制一份，并由第二以太总线交换机100的第二路由决策单元122将第一数据帧路由到连接到第二以太总线交换机的第二交换逻辑组件的用户设备端口上的第二总线设备(例如总线设备2或总线设备0)方向以及将第一数据帧的副本路由到第二以太总线交换机100的成对网络链接端口的另一个端口方向。如果在第三以太总线交换机100(例如图4中的太总线交换机3或太总线交换机N)的总线设备N的MAC地址与总线设备2的MAC地址相同，其也将接收到该第一数据帧。由此，通过单播方式实现了点(例如总线设备1)对多点(例如总线设备2和N)的通信。

同样，当接收到第一数据帧的总线设备，例如总线设备2和N对该第一数据帧做出响应时，其响应数据帧将同样会经历上述数据交换过程。此时，该响应数据帧将被视为上述过程中的“第一数据帧”，并且总线设备2和N将在发出响应数据帧是被视为上述过程的“第一总线设备”，而作为响应数据帧的目的地总线设备的“总线设备1”将被视为上述过程的“第二总线设备”。同样，总线设备2和N所连接的以太总线交换机将被视为第一以太总线交换机，而“总线设备1”所连接的以太总线交换机将被视为第二以太总线交换机。由于响应数据帧的传输过程与第一数据帧的传输过程相同，因此不再对其具体过程进行详细描述。因此，通过上述方式，在以太总线架构下的总线设备之间可以进行点对多点以及多点对对点的交叉通讯。

正是由于上述基于以太网总线架构的交叉通讯的存在，因此，这种以太网总线架构可以采用自学习方式进行设备扩容，即只需要在以太网交换机上连接一个具有与现有总线设备相同MAC地址的总线设备，则网络设备之间不需要专门进行链路配置，仅仅通过一次通讯即可建立链路，因此消除在现有以太网上或传统总线上进行扩容配置的麻烦。

正是由于上述基于以太网总线架构的交叉通讯的存在，因此根据本公开的技术方案存在一种基于该以太总线交换机的数据无损监听方法。通常，在以太总线和各种网络中，为了进行通信和数据监听，需要对网络进行一定程度的损坏，例如在接收和发送数据的设备前的路径中采用入侵损害方式来监听数据以便进行实时数据诊断。或者通过其他方式在本地设备存储通讯数据，以便之后进行数据诊断。更有甚者需要编辑特定的软件来截获数据。这些监听数据的方法都具有较高的成本或对网络本身造成损害。而采用本公开的以太总线交换机的总线网络上则可以实现无损实时监听。图6所示的是根据本公开的无损监听方法的示意图。如图6所示，第三总线设备(未示出)通过网络链接通道与第一总线设备(在图中显示为设备1)所述的以太总线交换机的左侧传输通道端口相连。第三设备可与第一总线设备进行数据通讯。该设备1具有配置的MAC地址MAC1。为了无损实时监听第三设备与第一总线设备之间的通讯，可以在根据本公开的总线上的任意以太总线交换机的用户接入端口接入一个总线设备，例如第二总线设备，并将其MAC地址配置为与第一设备的MAC地址相同的MAC1。同时启用或激活第二总线设备所属的以太总线交换机中的数据重组单元121的地址交换重组功能，即一种当从传输通道接收到的数据帧的目的地MAC地址与本地设备的MAC地址相同时，将所接收到数据帧中的路由协议的源信息与目的信息进行交换，例如数据帧所包含的路由协议中的目的地MAC地址、目的地IP(如果有的话)以及端口与源MAC地址、目的地I(如果有的话)以及端口，进行交换后形成新数据帧的数据重组功能。经过这种方式处理后，第二总线设备就能够实时监听到第一总线设备和第三总线设备之间的完整通讯过程，而且不会影响到第一总线设备和第三设备之间的通讯，也不需要对第一总线设备和第三设备之间的通讯链路造成认为物理性损害。

具体而言，当第一总线设备所属的以太总线交换机在接收到第三设备向作为第一总线设备的设备1发送来的总线数据帧时，该以太总线交换机的传输逻辑组件120的路由决策单元121基于交换机MAC地址表中的MAC地址确定数据帧进行双向发送，随后数据重组单元122将该数据帧复制一份。然后其中一份发送相对的传输通道，另一份被数据重组单元122剥离了数据帧ID之后发送到本地交换逻辑组件110。由此经过数据重组单元剥离数据帧ID后的数据帧被下载到第一总线设备。同时被转发数据帧转副本到达作为第二总线设备或监听设备的设备2所属的以太总线交换机。同样，第二总线设备所属的以太总线交换机的传输逻辑组件120的路由决策单元121和数据重组单元122对该数据帧进行相同的处理，并对路由到本地用户接入端口的监听设备的数据帧进行剥离数据帧ID处理，然后经由交换逻辑组件110下载到设备2，由此，设备2作为监听设备，获得了第三设备向作为第二总线设备的设备2发出的数据。

进一步，当设备1针对所接收到的数据帧作出响应后，会向第三总线设备发出响应数据帧，该响应数据帧的源地址为MAC1，目的地地址为第三总线设备的MAC地址。由于该目的MAC地址所述的第三设备为总线设备，因此，该响应数据帧具有总线属性。由此，该响应数据帧被路由决策单元121路由到相对的传输通道，即被双向转发。随后该响应数据帧被数据重组单元122添加数据帧ID并被复制一份。一方面，其中一份响应数据帧向左转发到第三总线设备所属的以太总线交换机，并被第三总线设备接收，由此获得第一总线设备对其发出的数据帧的响应数据帧。另一方面，另一份数据帧副本经由右侧传输通道被转发到第二总线设备所属的以太总线交换机。第二总线设备所属的以太总线交换机的路由决策单元121针对从传输通道上传输来的源MAC地址与本地设备的MAC地址相同的数据帧直接路由到本地用户接入端口方向，并由数据重组单元122对在接收到的响应数据帧副本中的源MAC地址与第二总线设备的MAC地址相同时，将该数据帧中的源MAC地址和目的地MAC地址进行交换以便实现重组，并经过数据重组单元122剥离数据帧ID后下载到第二总线设备。由此，获得第一总线设备向第三总线设备发送的响应数据帧，从而监听到返回数据。

通过上述过程，作为监听设备的第二总线设备因此能够无损实时监听第三总线设备和第一总线设备之间的通讯。而传统的数据监听方式是在节点处增添特殊的监听设备，来捕获、筛选被监听对象的数据发往处理平台，这样的监听方式，既增加了额外的监听设备成本，又由于监听设备对数据的二次处理带来了数据安全隐患。而本公开以太总线交换机利用上述特性即可在当前的环境下监听原始数据，既不增加额外成本，也不需要对数据做捕获、筛选的处理，保证数据传输安全。

综上所述，基于本公开的以太总线交换机将同类总线设备视为一个设备，即配置为同一个MAC地址，因此当同类总线设备回应源设备后，该MAC地址就会学习到应用端口和传输端口上，而以太总线交换机设定应用端口和传输端口为独立的学习机制，当两个端口学习到同一个MAC地址时，不视为MAC冲突，而视为该端口也有该设备接入。基于以太网源MAC学习机制，传输逻辑即会将源设备发来的数据同时传输到两个端口上，这样，所有的设备就会接收到源设备发来的数据。同时，源设备也可以接收到所有设备的回应数据。因此，基于本公开的以太总线交换机采用全双工通信方式，遵循以太网源mac地址的学习机制，利用单播完成点对多点的双向数据交互。当网络上新增设备后，只需要当前存在的链接即可完成与新增设备的数据交互。相反，采用传统交换机，在当前架构下，当两个端口学习到同一个mac地址时，由于单播的点对点传输机制就会出现目标地址冲突的情况，无法做到点对多点的数据通信。

返回参见图1，交换逻辑组件110还对来自本地的设备数据帧进行常规的数据通讯交换处理，其对与来自本地设备的数据帧，可预先进行MAC地址表的查找，对于目的地地址为本地其他端口设备的MAC地址的数据帧，直接发送到该本地其他端口设备。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，对本领域的普通技术人员而言，能够理解本公开的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本公开的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。

因此，本公开的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本公开的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本公开，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本公开。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。

还需要指出的是，在本公开的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行，例如在进行路由决策和数据重组过程可以并行进行也可以先后进行，两者进行的过程不分先后。在需要进行先后处理的情况下，可以有技术人员进行临时设定。例如在监听情况下，监听设备所述的传输逻辑组件110可以配置为首先对传输来的数据进行MAC地址解析，对源MAC地址与本地监听设备的MAC相同的数据帧首先进行交换重组，然后有路由决策单元进行路由决策以便路由到监听设备，获取被监听设备的响应数据帧。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (14)

1.一种以太总线交换机，包括：

一个或多个设备端口；

一对网络链接端口；

交换逻辑组件，发送或接收数据帧，并基于源MAC地址学习机制学习所接收到的数据帧的源设备MAC地址并存储在MAC地址表中；以及

传输逻辑组件，包括路由决策单元和数据重组单元，其中所述数据重组单元将来自设备端口的数据帧复制一份以便路由决策单元将该数据帧路由到所述一对网络链接端口方向，以及数据重组单元将来自所述一对网络链接端口之一的具有总线属性并且目的地MAC地址为本地设备端口上的总线设备的MAC地址的数据帧复制一份，以便路由决策单元将该数据帧路由到设备端口方向和所述一对网络链接端口的另一个端口方向，从而以单播方式实现点对多点的通讯。

2.根据权利要求1所述的以太总线交换机，其中所述数据重组单元为从设备端口经由交换逻辑组件发送的数据帧添加数据帧ID以及为从路由决策单元接收的数据帧剥离数据帧ID。

3.根据权利要求2所述的以太总线交换机，其中所述数据帧ID包含有基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

4.根据权利要求2所述的以太总线交换机，其中所述数据帧ID包含有源交换机ID、目的地交换机ID以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

5.根据权利要求1-4之一所述的以太总线交换机，其中所述数据重组单元在来自所述一对网络链接端口之一的数据帧中的源MAC地址与本地总线设备的MAC地址相同时，将该数据帧中的路由协议字段中的源信息和目的地信息进行交换以便实现重组。

6.根据权利要求1-4之一所述的以太总线交换机，其中所述路由决策单元对来自所述一对网络链接端口之一的目的地MAC地址不是本地设备端口上的设备的MAC地址的数据帧只路由到所述一对网络链接端口的另一个端口方向。

7.根据权利要求1-4之一所述的以太总线交换机，其中所述路由决策单元对来自所述一对网络链接端口之一的不具有总线属性并且目的地MAC地址为本地设备端口上的非总线设备的MAC地址的数据帧仅路由到设备端口方向。

8.一种由如权利要求1-7之一所述的以太总线交换机构成的总线系统，其中传输线经由以太总线交换机的网络链接端口连接多个以太总线交换机，至少两个以太总线交换机的一个或多个设备端口上连接有至少一个总线设备，以便多个具有相同MAC地址的总线设备能够同时接收目的地为该MAC地址的数据帧，从而以单播形式实现点对多点以及多点对多点的通讯。

9.一种数据通讯方法，包括：

多个第一总线设备之一从第一以太总线交换机的用户设备端口经由第一交换逻辑组件发出具有以太总线属性的第一数据帧；

第一以太总线交换机的第一数据重组单元将所接收到的第一数据帧复制一份，并由第一以太总线交换机的第一路由决策单元该第一数据帧及其副本分别路由到该第一以太总线交换机的一对网络链接端口方向；

至少一个第二以太总线交换机在经由其成对网络链接端口之一接收到来自第一总线设备的第一数据帧时，在第二以太总线交换机的第二路由决策单元确定第一数据帧的目的地MAC为第二以太总线交换机的用户设备端口上连接的第二总线设备的MAC的情况下，所述第二以太总线交换机的第二数据重组单元将该第一数据帧复制一份，并由第二以太总线交换机的第二路由决策单元将第一数据帧路由到连接到第二以太总线交换机的第二交换逻辑组件的用户设备端口上的第二总线设备方向以及将第一数据帧的副本路由到第二以太总线交换机的成对网络链接端口的另一个端口方向。

10.根据权利要求9所述的数据通讯方法，其还包括：

第二路由决策单元在确定第一数据帧的目的地MAC不是第二总线设备的MAC的情况下，直接将第一数据帧路由到第二以太总线交换机的成对网络链接端口的另一个端口方向。

11.根据权利要求9或10所述的数据通讯方法，其还包括：所述第一数据重组单元在复制第一数据帧之前或同时为第一数据帧添加数据帧ID以及在第二路由决策单元将第一数据帧路由到第二总线设备方向之前或同时第二数据重组单元为第一数据帧剥离所添加数据帧ID。

12.根据权利要求11所述的数据通讯方法，其还包括：

在第二路由决策单元确定第一数据帧的源MAC与第二总线设备的MAC相同的情况下，第二数据重组单元将第一数据帧中的路由协议字段中的源信息和目的地信息进行交换以便实现重组；以及

第二路由决策单元将经过重组后的第一数据帧路由到第二总线设备方向。

13.根据权利要求9或10所述的数据通讯方法，其还包括：

所述第二路由决策单元在确定第一数据帧的目的地MAC地址不是第二交换逻辑组件的用户设备端口上的设备的MAC地址时，仅仅将第一数据帧路由到第二以太总线交换机的一对网络链接端口的另一个端口方向。

14.根据权利要求9所述的数据通讯方法，其还包括：

所述第二路由决策单元在确定来自所述一对网络链接端口之一的数据帧不具有总线属性并且目的地MAC地址为第二交换逻辑组件的用户设备端口上的非总线设备的MAC地址时，仅将该数据帧路由到第二交换逻辑组件的用户设备端口方向。

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