CN107248963B - 基于以太网的多通道交换机、通道仲裁方法和通讯方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于以太网的多通道交换机，包括：一个或多个用户设备接入端口；至少一对网络链接端口；以及通道仲裁组件，基于从用户设备接入端口所接收数据帧的源设备MAC地址和目的地设备MAC地址的通道级别中较高的通道级别确定所接收数据帧所要占据的通道级别；以及路由决策组件，基于通道仲裁组件所确定的所接收的数据帧的通道级别为该所接收数据帧分配对应级别的传输通道。

Description

基于以太网的多通道交换机、通道仲裁方法和通讯方法

技术领域

本公开涉及一种交换机，尤其是涉及一种基于以太网的多通道交换机以 及其上的通道仲裁方法和数据通讯方法。

背景技术

工作于OSI网络的数据链路层的常见以太网交换机是一种基于MAC (MediaAccess Control，介质访问控制)地址识别、完成以太网数据帧转发 的网络设备。传统的以太网交换机通常是对入站的数据帧进行排队按序转发 到下一个交换机或目的地设备。

然而，在当前的工业现场控制网络中，有多种数据同时在其中被传输， 例如视频数据、音频数据、控制数据等等。然而，各种网络往往对不同的数 据的实时性具有不同的要求。例如工业网络往往对工业控制数据的实时性有 较高的要求而对有些普通数据的数据实时性要求不高，例如对视频、通话等 数据的实时性要求并不高。这样，一方面这些实时性要求不高的视频或通话 数据往往占用大量的带宽，这会挤占高实时性数据所需的带宽，降低实时性 数据单位时间内所能传输的流量，降低了高实时性数据的传输速度，导致传 输延时。另一方面，即使在实时性要求高的工业控制数据由于被赋予高优先 级的情况下，由于通道内存在大量普通数据正被传输的情况下，这种工业控 制数据也需要等待正在被传输的普通数据传输结束之后才能被顺利传输，这 是工业网络收到非法侵入和攻击的情况下，会导致数据链路层的传输路径长 时间被经由普通端口进行攻击的普通数据占据，导致高实时性数据被阻隔而 不能被传输，造成极大的传输延时。因此，为保障控制数据的实时性和安全 性，现有的解决方案通常会采用一套网络系统来单独传输控制数据，而用另 外一套网络系统来传输普通数据。这种将两者隔离开的解决方案，既增加了 工业现场成本，又提高了现场作业和维护难度。

发明内容

为了消除现有以太网OSI网络的数据链路层中存在上述问题，根据本公 开的一个方面，提出了一种基于以太网的多通道交换机，包括：一个或多个 用户设备接入端口；至少一对网络链路端口；通道仲裁组件，基于来自本地 接入端口的用户设备的数据帧或经由网络链路端口传输来的数据帧所包含的 源设备通道级别和目的地设备的通道级别中较高的通道级别确定所述数据帧 所要占据的通道级别，并将所述数据帧排列在对应级别的通道的数据队列中； 以及路由决策组件，按照从高到低的通道级别顺序获取数据队列中的数据帧， 并基于所述数据帧的路由信息判断每个级别通道中的数据帧的归属，并基于 所述数据帧的归属和所属通道级别确定所述数据帧路由方向。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述通道仲裁组件直接 将广播数据帧和针对该广播数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低级别 通道。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述通道仲裁组件直接 将广播数据帧、针对该广播数据帧的回应数据帧以及随后的确认数据帧的通 道级别确定为最低级别通道。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于 来自本地接入端口的用户设备的数据帧，判断其归属为网络链路端口，并由 此进行双向路由到所述一对网络链路端口。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于 经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的广播数据帧，判断其归属为设 备端口和所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于 经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，基于路由信息所包含 的目的地地址是否为本地接入端口的用户设备，判断其归属为设备端口或所 述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于 经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包 含的数据序列号判断其已经所述至少一对网络链路端口的另一个端口接收过 的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于 经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包 含的数据序列号判断其已经被本地设备接收过的情况下，确定丢弃该重复数 据帧。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其还包括接收/发送决策组 件，其优先确定通道级别高的数据帧的发送，并在发送完当前最高通道级别 的数据帧后，发送下一通道级别的数据帧。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述接收/发送决策组 件在高通道级别的数据帧经由路由决策组件到来时，批准高通道级别的数据 帧的发送申请并中断正被传输的低通道级别的数据帧，并对被中断的数据帧 的未被发送的数据部分按照其原有的包头数据进行打包，并将重新打包的数 据帧排列在待发送的其所属通道级别的数据队列的第一位。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述接收/发送决策组 件在确定经过通道仲裁组件所接收的同一通道级别的两个或多个连续数据帧 为有效的中断数据帧时，将所述两个或多个有效的中断数据帧重组为一个数 据帧并将重组的数据帧排列在即将进入路由决策组件的其所属通道级别的数 据队列的末尾。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其还包括数据合法验证组件， 其进行协议校验和CRC校验，以便判断所接收到数据帧是否合法。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述至少一对网络链路 端口为两对网络链路端口，其中一对网络链路端口被分配给最高级通道而另 一对网络链路端口被分配给其余级别通道。

根据本公开的基于以太网的多通道交换机，其中所述至少一对网络链路 端口为两对网络链路端口，其中一对网络链路端口被分配给第一到第二级的 高级通道而另一对网络链路端口被分配给其余低级别通道。

根据本公开的另一个方面，提供了一种以太网交换机中进行数据通道仲 裁方法，包括：接收到达以太网交换机的设备端口或网络链路端口的数据帧； 解析所接收的数据帧所包含的源设备和目的地设备MAC地址以及所属通道 级别；以及基于所接收的数据帧所包含的源设备和目的地设备所属通道级别 中较高的通道级别确定所述数据帧所要占据的通道级别，并将所述数据帧排 列在对应级别的通道的数据队列中。

根据本公开的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：将广播 数据帧和针对该广播数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

根据本公开的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：直接将 广播数据帧、针对该广播数据帧的回应数据帧以及随后的确认数据帧的通道 级别确定为最低级别通道。

根据本公开的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：直接将 来自本地设备的数据帧中MAC地址未包含在交换机的MAC地址表中的数据 帧的通道级别确定为最低级别通道以及对于来自网络链接侧的需要转发的数 据帧，保持其转发通道级别。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种以太网交换机进行数据通讯的 方法，包括：接收步骤，接收自本地接入端口的用户设备传输来的数据帧或 自相邻交换机经由至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧；通道仲裁步 骤，基于所接收的数据帧包含的源设备通道级别和目的地设备的通道级别中 较高的通道级别确定所述数据帧所要占据的通道级别，并将所述数据帧排列 在对应级别的通道的数据队列中；以及路由决策步骤，按照从高到低的通道 级别顺序获取数据队列中的数据帧，并基于所述数据帧的路由信息判断每个 级别通道中的数据帧的归属，并基于所述数据帧的归属和所属通道级别确定 所述数据帧路由方向并进行发送。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中通道仲裁步骤包 括：将广播数据帧和针对该广播数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低 级别通道。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中通道仲裁步骤包 括：直接将广播数据帧、针对该广播数据帧的回应数据帧以及随后的确认数 据帧的通道级别确定为最低级别通道。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包 括：对于来自本地接入端口的用户设备的数据帧，判断其归属为网络链路端 口，并由此进行双向路由到所述一对网络链路端口。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包 括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的广播数据帧，判断其 归属为设备端口和所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包 括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，基于路由信 息所包含的目的地地址是否为本地接入端口的用户设备，判断其归属为设备 端口或所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包 括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由 信息所包含的数据序列号判断其已经所述至少一对网络链路端口的另一个端 口接收过的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤还 包括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路 由信息所包含的数据序列号判断其已经被本地设备接收过的情况下，确定丢 弃该重复数据帧。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其还包括接收/发送 决策步骤，其优先确定通道级别高的数据帧的发送，并在发送完当前最高通 道级别的数据帧后，发送下一通道级别的数据帧。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中接收/发送决策 步骤还包括：在高通道级别的数据帧经过路由决策后，确认高通道级别的数 据帧的发送申请并中断正被传输的低通道级别的数据帧，以及对被中断的数 据帧的未被发送的数据部分按照其原有的包头数据进行打包，并将重新打包 的数据帧排列在待发送的其所属通道级别的数据队列的第一位。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中接收/发送决策 步骤还包括：在确定被通道仲裁为同一通道级别的两个或多个连续数据帧为 有效的中断数据帧时，将所述两个或多个有效的中断数据帧重组为一个数据 帧并将重组的数据帧排列在即将被路由决策的其所属通道级别的数据队列的 末尾。

根据本公开的以太网交换机进行数据通讯的方法，其还包括数据合法验 证步骤，进行协议校验和CRC校验，以便判断所接收到数据帧是否合法。

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基于以太网的多通道交换机的 原理示意图。

图2所示的是根据本公开的基于以太网的多通道交换机在接收到用户 设备数据时的处理过程流程图。

图3A和3B所示的是根据本公开的基于以太网的多通道交换机在从网 络链路通道接收到数据时的处理过程流程图。

图4所示的是根据本发明的交换机的通道仲裁组件105进行通道仲裁的 时序图。

图5所示的是根据本公开的交换机的接收/发送决策组件的进行中断处理 的过程示意图。

图6所示的是根据本发明的第二个实施例的以太网多通道交换机100的 原理示意图。

图7所示的是采用根据本发明的以太网多通道交换机100的网络示意图。

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，第一设备也可以被称为第 二设备，类似地，第二设备也可以被称为第一设备。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”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方 式对本公开作进一步详细说明。

图1所示为根据本发明的实施例的基于以太网的多通道交换机100的原 理示意图。如图1所示，以太网的多通道交换机100包括：一个或多个用户 设备接入端口、至少一对网络链接通道A和B、通道仲裁组件105以及路由 决策组件110。尽管为了描述方便在图1中显示了多个通道仲裁组件105，但 是在整个交换器中，实际采用一个通道仲裁组件105。但是，可选择地，也 可以正对不同端口设置对应的通道仲裁组件105来实现本发明的目的。

如图1所示，“用户接入”处为用户设备接入端口，该用户设备接入端 口为了简便起见显示为一个，但是可以根据需要设置多个，由此可以接入多 个设备用户。在所述交换机100内部，设置有多个不同级别的通道，例如通 道1、通道2……通道N。这些不同级别的通道将通道仲裁组件105和路由决 策组件110直接或间接连接起来。通道仲裁组件105接收从用户设备从用户 接入端口或网络链路通道A或B传输来的数据帧，并基于所接收数据帧的源 设备MAC地址和目的地设备MAC地址的通道级别中较高的通道级别确定所 接收数据帧所要占据的通道级别，并基于数据帧的通道级别将其排列在对应 级别通道的数据队列中。路由决策组件110按照从高到低的通道级别顺序获 取数据队列中的数据帧，并基于所述数据帧的路由信息判断每个级别通道中 的数据帧的归属，并基于所述数据帧的归属和所属通道级别确定所述数据帧 路由方向。例如，如果数据帧来自本地的用户设备接入端口，则路由决策组 件110将该数据帧路由归属为网络链接通道A和B，由此将该数据帧复制一 份进行双向发送。如果数据帧来自网络链接通道A或B，则路由决策组件110 依据其目的地MAC地址以及是否为重复收到的数据帧确定其是否下载到本 地而不向前继续传输或者仅仅向下一个交换机传输，或者确定其为广播数据 帧而将该数据帧复制一份以便向用户接入端口和下一级交换机双向发送。下 面将详细描述交换机的数据通讯过程。

图2所示的是根据本公开的基于以太网的多通道交换机100在接收到用 户设备数据时的处理过程流程图。如图2所示。在步骤S210处，从用户接入 端接收到用户设备发出的数据帧。每个数据帧通常具有如表1所示的数据结 构：

表1

目标mac

源mac

目标mac通道属性、状态

源mac通道属性、状态

其他路由信息

数据

CRC

对于用户设备发出的数据帧，通常包含有目的地设备MAC地址，即表 1中所示的“目标mac”，以及“源设备MAC地址”，即在数据帧来自用户设 备时该用户设备的MAC地址，例如表1中所示的“源mac”。同时为了便于 针对源和目的之间的通道级别对数据进行通道选择，为此在数据帧中增加了 目的地设备和源设备的通道属性。根据本公开的要求，为了适应本公开通道 交换机100的数据交换要求，每个合法设备都可被预先赋予通道级别，如果没有被赋予通道级别，则默认其通道级别为最低通道级别。

针对每个来自用户设备的数据帧，在步骤S220处进行合法性验证，验 证通道数据是否合法。返回图1，在图1中，交换机100还包括合法验证组 件120。合法验证组件120首先对收到的数据进行合法验证，主要进行协议 校验和CRC校验。校验不能通过的数据则称之为不合法通道数据，并对该数 据帧进行丢弃处理。如果数据帧合法，则在步骤S230处，由通道仲裁组件 105对数据帧进行通道属性仲裁。如果该数据帧不包含任何通道属性或者通道数据与交换机所分配的通道属性数据不符，则直接丢弃该数据帧。如果该 数据帧包含有通道属性，则在步骤S240处，基于表1中显示的数据帧中的通 道属性确定该数据帧的通道级别。具体而言，基于表1中源MAC通道数据 和目标MAC通道属性的通道级别中较高的通道级别确定所接收数据帧所要 占据的通道级别，并基于数据帧的通道级别将其排列在对应级别通道的数据 队列中。如果来自本地用户设备的数据帧为广播或组播数据帧，则在步骤S240 处直接将其裁定为最低通道级别。在本公开的数据帧构成协议中，包含有数 据帧的属性，其显示该数据帧是否为单播数据帧、广播数据帧和组播数据帧， 这种分别方式属于本领域常规技术手段，在此不进行详细描述。

接着，在步骤S250处，针对来自本地用户设备并排列在每个级别的通 道中的数据队列，路由决策组件110首先对最高级别通道中的数据队列数据 进行路由决策处理。具体而言，其将数据帧复制一份，并将设备通道属性信 息、状态以及其他路由信息添加至数据帧中重新组包后同时将两份相同的数 据帧分别路由到两个网络链路通道A和B，由此进行双向发送。

经过路由决策组件110之后的数据随后被可以按照数据的通道优先级 别依次发送。可选择地，经过路由决策组件110之后的数据随后可按照根据 各自的通道级别进入与连接网络链路通道的各个级别的通道，并在步骤S260 处，进行发送决策处理。返回参见图1，交换机100还可以包括接收/发送决 策组件115。尽管图1中所示的接收/发送决策组件115为多个，但是其是为 了描述方便，实际上可以只有一个。当然，也可以在每个网络链路端口配置 一个。具体而言，接收/发送决策组件115首先接收来自各个级别通道的数据 的发送申请。通道级别越高的数据，优先审批通过发送申请。因此，在步骤 S260处，对于同时排列在不同通道级别的数据队列，则优先获取并通过高级 别通道内的数据帧的发送申请。在当前最高通道级别(而不一定所有通道级 别中的最高通道级别)的数据帧的发送申请得以通过后，在步骤S270处，判 断是否有数据帧在被发送到网络链路通道A或B。如果有，则判断该正在被 发送的数据帧的数据通道级别是否低于正准备被发送的当前最高通道级别的数据帧的通道级别。如果判断结果为“是”，则当前最高通道级别的数据帧则 返回等待，直到所有通道级别高于其通道级别的数据帧发送完毕为止。如果。 如果判断结果为“否”，则意味着正占据连接相邻两个交换机的网络链路通道 A或B的正被传输的数据帧的通道级别低于当前最高通道级别的数据帧的通 道级别。由此，接收/发送决策组件115作出发送决策，以中断正在发送的低 级别通道数据帧，并立即进入步骤S280，进行当前最高通道级别的数据帧的 发送。接收/发送决策组件115在中断正在发送的数据帧之后，对被中断的数据帧的未被发送完毕的数据部分基于其原有的帧头数据进行重新打包并将其 排列在其原来级别通道中的数据队列的第一位，以等待下一次重复步骤 S260-S270的处理过程。

返回参考图1，尽管在图1中显示接收/发送决策组件115布置在路由决 策组件110与通道仲裁组件105之间，但是，被交换机转发的数据由于在进 入交换机并被路由决策之前已经过了通道仲裁，因此，在被转发时并不再进 行通道仲裁，而是直接或经由接收/发送决策组件115被转发到网络链路通道 A或B上，以便到达下一个交换机。

另外，交换机100同样会通过网络链路通道A和B接收到经过另一个 交换机100转发来的数据帧。图3所示的是根据本公开的基于以太网的多通 道交换机100在从网络链路通道接收到数据时的处理过程流程图。如图3所 示，以网络链路通道A接收到数据帧为例，在步骤S10处，左侧一个交换机 100转发的数据帧到达网络链路通道A进入本地交换机100。随后，在步骤 S315处，本地交换机的合法验证组件115对所接收到的数据进行合法性验证，验证通道数据是否合法。具体而言，合法验证组件120首先对收到的数据帧 进行合法验证，主要进行协议校验和CRC校验。校验不能通过的数据则称之 为不合法通道数据，并对该数据帧进行丢弃处理。如果数据帧合法，则在步 骤S320处，由通道仲裁组件105对数据帧进行通道属性仲裁。如果该数据帧 不包含任何通道属性或者通道数据与交换机所分配的通道属性数据不符，则 直接丢弃该数据帧。如果该数据帧包含有通道属性，则在步骤S325处，基于 表1中显示的数据帧中的通道属性确定该数据帧的通道级别。具体而言，基 于表1中源MAC通道数据和目标MAC通道属性的通道级别中较高的通道级 别确定所接收数据帧所要占据的通道级别，并基于数据帧的通道级别将其排 列在对应级别通道的数据队列中。当通道仲裁组件105获知来自相邻交换机 的数据帧中包含有确定的通道级别属性并且该数据将被转发时，直接将该数 据裁定到数据帧自身所携带的通道数据所对应的级别的通道。如果由左侧交 换机转发来的数据帧为广播或组播数据帧，则在步骤S325处直接将其裁定为 最低通道级别。

接着，在步骤S330处，接收/发送决策组件115针对各个通道级别中的 数据帧进行接收决策判断。首先，接收/发送决策组件115判断所接收的数据 帧是否为中断帧，如果为中断数据帧，则在步骤S335处判断该中断数据帧是 否为有效数据帧。当中断的数据帧在重组后存在CRC校验不符、中断的数据 帧存在丢帧的情况(即不完整)，或者在两个属于同一数据帧的中断数据帧之 间插入了另一个数据帧，都属于无效数据帧的情况。如果不是有效数据帧， 则丢弃该中断数据帧。如果为有效数据帧，则在步骤S340处，将该中断数据 帧缓存在对应通道级别的接收缓存器中，以便等待被中断的部分数据构成的 数据帧。当该数据帧的被中断情况结束之后，其剩余被中断数据帧被传输并 被接收后，在步骤S345处进行数据帧重组处理，并判断该重组形成的数据包 是否完整，如果不完整，在返回重复进行步骤S335-345。如果中断数据帧重 组完整，则将该完整的重组数据帧排列在将被发送到路由决策组件110的相 应通道级别的通道内的数据队列的末尾，等待发送到路由决策组件110。另一方面，对于当前最高级别通道(不一定是所有级别通道中的最高级别通道， 而仅仅是排列有数据队列的所有通道中的最高级别的通道)内的数据的接收 申请进行逐一进行批准并将通过接收申请的数据帧逐一经过其对应的通道级 别的通道输出给路由决策组件110。

图3B是图3A的接续部分，其同通过标记为“A”的节点连接起来形成 整体流程图。如图3B所示，在步骤S350处，在路由决策组件110按照通道 级别高低依次获得从前一交换机转发的数据帧时，路由决策组件110首先根 据交换机所保存的数据接收历史信息判断该数据帧是否经由其另一个网络链 路通道，例如经由网络链路通道B，接收到相同的数据帧。如果判断结果为 “是”，则丢弃该数据帧，不对其进行具体路由选择。如果判断结果为“否”，则路由决策组件110在步骤S355基于数据帧的MAC地址或路由信息判断该 数据帧其目的地是仅仅发送到本地、仅仅进行转发或者进行双向发送。当所 接收到的数据帧为广播或组播数据帧时，则路由决策组件110确定其进行双 向发送。此外，如果数据帧为单播数据，但是在网络中存在与本地设备的MAC 地址相同的MAC地址的情况下，也会确定该数据帧将进行双向发送。针对 来自网络链路通道的数据帧的双向路由表示该数据帧将被下载到本地并被进 一步转发。当单播数据帧的目的地MAC在本地交换机的MAC地址表中不存 在时，将仅仅被路由决策到对应的网络链路通道，例如通道B。当单播数据 帧的目的地MAC在本地交换机的MAC地址表中存在并且没有其他具有相同 MAC地址的设备时，则将该数据帧路由决策到本地设备接口。

如图3B所示，如果该数据帧被路由决策到相对网络链路通道，则由接收 /发送决策组件115进行发送决策处理。在步骤S360处，接收/发送决策组件 115首先接收按照通道级别高低接收待发送数据帧的发送申请，如果发送申 请得到批准，则在步骤S365处直接进行数据帧的转发。尽管在图1所示的原 理示意图的右侧显示接收/发送决策组件115布置在路由决策组件110和通道 仲裁组件105之间，但是这并不表示被转发的数据帧需要被再次进行通道仲 裁和合法验证，这仅仅是为了对从B侧进入的数据进行通道仲裁和合法验证而示意性的表示。实际上在图1中相同标记的组件或单元表示同一部件。当 然，这些部件也可以分开布置。

在低级别数据帧发送的过程中，如果在高级别通道中收到需要发送的数 据帧，则在步骤S360处，接收/发送决策组件115对该高几倍通道中的数据 帧的发送申请立即做出批准，并在步骤S370处发出中断正在被发送的低级别 通道数据帧的传输的中断命令，并同时在步骤S365处立即发送高级别通道的 数据帧。随后同时在步骤S375处对被中断的数据帧的未发送部分进行中断处 理，例如，对被中断的数据帧的未被发送完毕的数据部分基于其原有的帧头 数据进行重新打包并将其排列在其原来级别通道中的数据队列的第一位，以 等待下一次重新进行步骤S360-S375的处理过程。

如图3B所示，如果该数据帧被路由决策到相对本地设备用户接入端口， 则在步骤S380处，由路由决策组件110确定本地是否接收该数据帧(此时在 何种情况下会导致不接收？)，如果确定不接收该数据帧，在进行丢弃处理。 如果确定接收该数据帧，在在步骤S385处进行数据帧的通道仲裁。随后将数 据帧排列到相应级别的通道中，从而由对应的设备接收该数据帧。

本公开的交换机为了安全目的，对于可能的攻击数据帧需要进行特别处 理，这在上面的描述中已经涉及到了部分内容。为了清楚说明此过程，申请 人结合图4对通道仲裁组件对广播数据帧的通道仲裁过程进行详细描述。图 4图示了根据本发明的交换机的通道仲裁组件105进行通道仲裁的时序图。 如图4所示。定义通道M具备最低的传输优先级，如最低级别通道，通道N 具备高的传输优先级。设备A从属于通道M，设备B从属于通道N。当设备A经由交换机的端口发起广播或组播访问时，其发出的一个广播或组播数据 帧。在广播数据帧中包含有设备A的MAC地址，而目的地设备B的MAC 地址。尽管假设此时设备A的MAC地址所对应的通道级别可能为较高级别， 但是，通道仲裁组件105依然将该广播数据帧确定为最低级别通道，例如M 通道。也就是说，对目的地地址不明确的数据帧都将仲裁为最级别通道的数 据。同样，对于任何MAC地址不明确或在MAC地址表中不存在的MAC地 址设备发送的数据帧都默认为最低级别通道的数据帧。随着该数据帧的发送， 设备A所属的交换机将学习到作为该数据帧的源设备的MAC地址并存储在 交换机的MAC地址表中。随后，如果目的设备B连接在另一个交换机的设 备端口，则在广播数据帧在到达设备B所连接的交换机上时，该回应数据帧 依然被仲裁为最低级别通道，例如M通道，尽管设备B的通道属性可能被定义为较高级别，例如N通道。随着设备B对该广播或组播数据帧进行应答， 设备B所属的交换机100将学习到作为源设备的MAC地址，并存储在地址 表中。同样，设备A所属的交换机的通道仲裁组件105也确定该回应数据帧 经过最低级别通道M返回到设备A。同时经过设备A和设备B之间的一次 往返，设备A和设备B各自所属的根据本公开的交换机100也学习到了设备 A和设备B的MAC地址、通道属性、设备时效性、认证状态以及合法性等。 这样通过一次往返通讯，确认两端设备的MAC地址、通道属性、设备时效 性、认证状态以及合法性之后，激活两者之间的通讯，从而在随后的通讯中 进行常规的通道仲裁以及路由决策处理。

表2所示的是根据本公开的交换机所学习到MAC地址学习表的一个例 子。

表2

在表2中，其中通道属性表示配置mac从属于哪个通道；实效性表示该 mac的通道属性状态，激活或老化；认证状态表示该mac所具备的通道属性 是否验证；以及合法性表示配置该mac是否合法，即是否具有访问其他通道 设备的权利。

上述过程基于MAC地址学习表的建立过程可描述如下：

设定设备A和设备B分别接到交换机1和交换机2上，mac分别为mac1 和mac2。其中设备A从属于通道M，设备B从属于通道N，通道M具备最 低的传输优先级，通道N具备高的传输优先级。以一次确认设备的通道属性 代表仲裁成功。下述流程描述了传输通道的切换模式。其具体学习过程如下：

1.初始状态，配置mac1和mac2分别从属于通道M和通道N，且都具 备合法性。

此时交换机1的mac表：

Mac 1

从属于通道M

未激活

未认证

合法

交换机2的mac表：

Mac 2

从属于通道N

未激活

未认证

合法

2.设备A发起广播或组播访问，查询mac表，目标未知，源macl通 道状态未激活、未认证，在最低优先级的通道M上传输，同时更新mac表。

Mac 1

从属于通道M

激活

已认证

合法

3.设备B接收到设备A的访问，交换机2上mac表中学习到macl。

Mac 2	从属于通道N	未激活	未认证	合法
					Mac 1	从属于通道M	激活	已认证	合法

4.设备B发起回应，查询mac表，源mac2通道状态未激活、未认证， 在通道M上传输，同时更新mac表。

Mac 2	从属于通道N	激活	已认证	合法
					Mac 1	从属于通道M	激活	已认证	合法

5.设备A接收到设备B的回应，交换机1上学习到mac2。

Mac 1	从属于通道M	激活	已认证	合法
					Mac 2	从属于通道N	激活	已认证	合法

多通道交换机的通道仲裁组件105可以通过查找mac学习表中相应mac 的通道属性、实效性、认证状态及合法性，来仲裁当前数据帧是否从属于当 前通道或当前数据帧是否需要切换至相应通道。若不配置mac的通道属性和 合法性，默认该mac只从属于最低优先级的通道，且不具有访问其他通道设 备的权利。当两个不同优先级通道的设备需要通信时，只有当高优先级设备 的通道状态认证通过、且低优先级设备具有访问高优先级通道设备的权利时， 才会切换到高优先级通道传输数据。因此，为了安全目的，对于广播或组播数据帧，本公开交换机对设备A和设备B之间通信通道进行至少一次确认。 此后，设备A和设备B之间的通讯将基于设备A和设备B中所对应的通道 级别中较高的通道级别来确定通道级别，例如通过N级通道进行通讯。这有 助于确保网络的安全性。

进一步，如图4所示，如果为了加强网络通讯的安全，可以设置对设备 A和设备B之间的通道级别进行二次确认。即，在设备A第二次向设备B发 出二次确认信号时，通道仲裁组件105依然将依据两者之间的数据帧的ID(例 如两者进行通讯的数据帧的序列号等)将本次通讯的通道级别确定为最低级 别通道(尽管此时数据帧中已经包含的设备A和设备B的MAC地址并且 MAC地址学习表中也已经学习到了其各自的属性信息)，并在设备B作出响应时，由设备B所述的交换机的通道级别确定单元113基于设备A和设备B 中所对应的通道级别中较高的通道级别来确定通道级别。在经过正确的二次 确认之后，设备A和设备B之间的随后的所有通讯的通道级别将由等级确定 单元113基于设备A和设备B中所对应的通道级别中较高的通道级别来确定 通道级别，并始终保持该通道级别，除非设备A和设备B此后长时间不进行 通讯而实效性发生变化时，例如老化或处于未激活状态。因此，如图4所示，当设备B的通道属性发生改变时，通道仲裁组件105将基于这种改变进行通 道重新仲裁。通过这样的一次确认或二次确认，可以防止可能的攻击性访问 占用快速通道。

在随后的通讯中，设备A发往设备B的数据帧，查询mac表，mac1和 mac2的通道状态均认证合法，切换至通道N上传输。同时以数据帧驱动更新mac表。当长时间接收不到一个mac的数据帧时，该mac通道实效性由激活 态变为老化，此时将认证状态置为未认证。若再次通信，需再次认证。

概括而言，当通道仲裁成功后两设备在通道N上通信，设备的通道属 性失效后切换回通道M重新仲裁。为保证通道传输的合法性，采用二次确认 设备的通道属性代表仲裁成功。

如上所述，根据发明的交换机100的接收/发送决策组件115在针对不 同通道级别的数据帧的发送和接收可采用中断低级别通道数据帧的手段来使 得具有高通道级别的数据帧能够优先发送或接收，由此实现高时效性数据的 “超车”效果。图5所示的是根据本公开的交换机的接收/发送决策组件的进 行中断处理的过程示意图。如图5所示，设定通道M、通道N的传输优先级 别为通道N>通道M。通道属性为M的设备A发送的数据1-数据m正在以 M级通道被传输。当来自高级别通道属性的设备B，例如N级别，发送的数 据1-数据n时，此时，接收/发送决策组件115基于设备B的通道属性的通道 级别N高于通道级别M这一事实，中断正在被传输数据1-数据m的传输， 并将尚未传输完的部分数据重新基于其帧头路由信息进行打包，并排列在通 道级别M所需传输的数据队列的第一位，即被中断的通道数据在相同优先级 的通道中具有优先传输的权利。由此通道级别N的数据1-数据n得以占据传 输通道进行数据传输。同时数据1-数据m中已经被传输到下一个交换器处的 数据将被缓存，等待未被传输的后一部分数据所构成的数据包，并在接收到 全部数据后对两部分或更多中断的数据部分进行重新组包，以便进行进一步 传输或下载的本地。

图6所示的是根据本发明的第二个实施例的以太网多通道交换机100的 原理示意图。如图6所示，第二实施例与第一实施例的不同在于交换机的网 络物理链接通道为两对，包括第一对网络链接通道A和B和第二对网络链接 通道C和D。用户可以根据需要将第一对网络链接通道A和B分配用于高级 别通道数据，例如用于通道级别3和4的通道数据，而将第二对网络链接通 道C和D分配用于其它级别通道数据，例如用于通道级别1和2的通道数据。尽管如此，在同一网络链接通道中，对不同级别的通道数据也依然遵循高通 道级别数据优先的原则，例如，在第二对网络链接通道C和D中，当通道级 别1的数据正在传输时，如果通道级别2的通道数据到来，接收/发送决策组 件115将中断通道级别1的数据而在第二对网络链接通道C和D中传输通道 级别2的数据。同样，在第一对网络链接通道A和B中，当通道级别3的数 据正在传输时，如果通道级别4的通道数据到来，接收/发送决策组件115将 中断通道级别3的数据而在第一对网络链接通道A和B中传输通道级别4的 数据。此外，与第一实施例相同的部分不再进一步描述。

图7所示的是采用根据本发明的以太网多通道交换机100的网络示意图。 如图7所示，其中交换机101的一个端口接入有源设备，另一个交换机102 的端口接入有视频设备4和控制对象。如图所示，用户将控制对象设定从属 于通道N，视频设备从属于通道M，通道N具有最高的传输优先级。当源设 备发出访问视频设备的广播信号时，通过通道仲裁组件进行在最低级别通道 上的一次确认或二次确认之后，在控制台源设备和视频设备之间建立起通道 属性为M级别通道的通讯链路。同样，当源设备发出访问控制对象的广播信 号时，通过通道仲裁组件进行在最低级别通道上的一次确认或二次确认之后， 在源设备和控制对象之间建立起通道属性为N级别通道的通讯链路。当在网 络链路通道上正在传输源设备和视频设备之间的M级别的通道数据时，如果 交换机需要传输源设备和控制对象之间通道数据，则接收/发送决策组件115 将中断源设备和视频设备之间的M级别的通道数据的传输，而决定由源设备 和控制对象之间N级别的通道数据占据所述网络链路通道。这样，利用通道 切换机制即可将源设备与控制对象之间的通信数据切换到通道N上传输，同 时，利用中断机制，可保障控制数据的传输实效性。

基于以上所述，本发明以太网交换机通过通道仲裁，可以使得通道1的 数据切换到通道2上。通道之间是动态的，是根据数据特性来选择的。本公 开的通道仲裁基于本身的数据交换协议，不是以太网标准优先级协议。

由于本发明采用了双通道或多通道交换机，因此基于通道优先级的仲裁 以及高通道数据可中断低级别通道数据并且可以进行高低通道属性端口之间 的切换和互通的策略可以实现目前的以太网不能实现的多网合一，消除了目 前以太网对时效性要求较高的数据需要单独设置线路的情况，从而使得多种 时效性的数据可以在一个网络上运行而不会使得时效性要求高的数据延迟。 通过设立了双通道交换机将多个网并在一起，从而对于需要有网络环境进行 传输而要求不高的数据，例如语音、视频数据以及对于需要优先传输的控制 数据都可以在同一个网络上运行。由于本发明的交换机的双通道的存在，因 此在遇到控制信号时，让其经过快速通道传输，普通的数据被中断等待，并 在快速通道数据传输完成后再按照正常顺序进行传输。

本发明的交换机的传输方式根据进来的数据进行仲裁选择通道，通过选 择通道进行数据传输。本发明可以验证通道数据的合法性及有效性，判断通 道实效性及合法性，仲裁通道传输实时性及优先级，并判断通道数据归属及 通道间的路由分配。因此本发明用户可定义通道优先级，分配接入设备的传 输通道，使得优先级高的通道可优先传输，且可中断优先级低的通道，被中 断的通道数据在下一级交换机进行数据重组。尤其是，本发明的交换机在通 道间切换时需要进行确认、仲裁，避免非法的通道切换干扰当前通道的数据传输，并实现了从属于不同优先级通道的设备间可以互相访问。

本发明的交换机相当于三端口交换机，属于全双工交换机。每个数据包 里面包含有通道号和通道的优先级，而不是数据优先级。

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。

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 (30)

1.一种基于以太网的多通道交换机，包括：

一个或多个用户设备接入端口；

至少一对网络链路端口；以及

通道仲裁组件，基于来自本地接入端口的用户设备的数据帧或经由网络链路端口传输来的数据帧所包含的源设备通道级别和目的地设备的通道级别中较高的通道级别确定所述数据帧所要占据的通道级别，并将所述数据帧排列在对应级别的通道的数据队列中；以及

路由决策组件，按照从高到低的通道级别顺序获取数据队列中的数据帧，并基于所述数据帧的路由信息判断每个级别通道中的数据帧的归属，并基于所述数据帧的归属和所属通道级别确定所述数据帧路由方向。

2.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述通道仲裁组件直接将广播数据帧和针对该广播数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

3.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述通道仲裁组件直接将广播数据帧、针对该广播数据帧的回应数据帧以及随后的确认数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

4.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于来自本地接入端口的用户设备的数据帧，判断其归属为网络链路端口，并由此进行双向路由到所述一对网络链路端口。

5.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的广播数据帧，判断其归属为设备端口和所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

6.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，基于路由信息所包含的目的地地址是否为本地接入端口的用户设备，判断其归属为设备端口或所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

7.根据权利要求6所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包含的数据序列号判断其已经所述至少一对网络链路端口的另一个端口接收过的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

8.根据权利要求6所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述路由决策组件对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包含的数据序列号判断其已经被本地设备接收过的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

9.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其还包括接收/发送决策组件，其优先确定通道级别高的数据帧的发送，并在发送完当前最高通道级别的数据帧后，发送下一通道级别的数据帧。

10.根据权利要求9所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述接收/发送决策组件在高通道级别的数据帧经由路由决策组件到来时，批准高通道级别的数据帧的发送申请并中断正被传输的低通道级别的数据帧，并对被中断的数据帧的未被发送的数据部分按照其原有的包头数据进行打包，并将重新打包的数据帧排列在待发送的其所属通道级别的数据队列的第一位。

11.根据权利要求10所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述接收/发送决策组件在确定经过通道仲裁组件所接收的同一通道级别的两个或多个连续数据帧为有效的中断数据帧时，将所述两个或多个有效的中断数据帧重组为一个数据帧并将重组的数据帧排列在即将进入路由决策组件的其所属通道级别的数据队列的末尾。

12.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其还包括数据合法验证组件，其进行协议校验和CRC校验，以便判断所接收到数据帧是否合法。

13.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述至少一对网络链路端口为两对网络链路端口，其中一对网络链路端口被分配给最高级通道而另一对网络链路端口被分配给其余级别通道。

14.根据权利要求1所述的基于以太网的多通道交换机，其中所述至少一对网络链路端口为两对网络链路端口，其中一对网络链路端口被分配给第一到第二级的高级通道而另一对网络链路端口被分配给其余低级别通道。

15.一种以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，包括：

接收到达以太网交换机的设备端口或网络链路端口的数据帧；

解析所接收的数据帧所包含的源设备和目的地设备MAC地址以及所属通道级别；以及

基于所接收的数据帧所包含的源设备和目的地设备所属通道级别中较高的通道级别确定所述数据帧所要占据的通道级别，并将所述数据帧排列在对应级别的通道的数据队列中。

16.根据权利要求15所述的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：将广播或组播数据帧和针对该数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

17.根据权利要求15所述的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：直接将广播或组播数据帧、针对该数据帧的回应数据帧以及随后的确认数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

18.根据权利要求15所述的以太网交换机中进行数据通道仲裁方法，还包括：直接将来自本地设备的数据帧中MAC地址未包含在交换机的MAC地址表中的数据帧的通道级别确定为最低级别通道以及对于来自网络链接侧的需要转发的数据帧，保持其转发通道级别。

19.一种以太网交换机进行数据通讯的方法，包括：

接收步骤，接收自本地接入端口的用户设备传输来的数据帧或自相邻交换机经由至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧；

通道仲裁步骤，基于所接收的数据帧包含的源设备通道级别和目的地设备的通道级别中较高的通道级别确定所述数据帧所要占据的通道级别，并将所述数据帧排列在对应级别的通道的数据队列中；以及

路由决策步骤，按照从高到低的通道级别顺序获取数据队列中的数据帧，并基于所述数据帧的路由信息判断每个级别通道中的数据帧的归属，并基于所述数据帧的归属和所属通道级别确定所述数据帧路由方向并进行发送。

20.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中通道仲裁步骤包括：将广播数据帧和针对该广播数据帧的回应数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

21.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中通道仲裁步骤包括：直接将广播数据帧、针对该广播数据帧的回应数据帧以及随后的确认数据帧的通道级别确定为最低级别通道。

22.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包括：对于来自本地接入端口的用户设备的数据帧，判断其归属为网络链路端口，并由此进行双向路由到所述一对网络链路端口。

23.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的广播数据帧，判断其归属为设备端口和所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

24.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，基于路由信息所包含的目的地地址是否为本地接入端口的用户设备，判断其归属为设备端口或所述至少一对网络链路端口的另一个网络链路端口。

25.根据权利要求24所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤包括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包含的数据序列号判断其已经所述至少一对网络链路端口的另一个端口接收过的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

26.根据权利要求24所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中路由决策步骤还包括：对于经由所述至少一对网络链路端口之一传输来的数据帧，在基于路由信息所包含的数据序列号判断其已经被本地设备接收过的情况下，确定丢弃该重复数据帧。

27.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其还包括接收/发送决策步骤，其优先确定通道级别高的数据帧的发送，并在发送完当前最高通道级别的数据帧后，发送下一通道级别的数据帧。

28.根据权利要求27所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中接收/发送决策步骤还包括：在高通道级别的数据帧经过路由决策后，确认高通道级别的数据帧的发送申请并中断正被传输的低通道级别的数据帧，以及对被中断的数据帧的未被发送的数据部分按照其原有的包头数据进行打包，并将重新打包的数据帧排列在待发送的其所属通道级别的数据队列的第一位。

29.根据权利要求28所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其中接收/发送决策步骤还包括：在确定被通道仲裁为同一通道级别的两个或多个连续数据帧为有效的中断数据帧时，将所述两个或多个有效的中断数据帧重组为一个数据帧并将重组的数据帧排列在即将被路由决策的其所属通道级别的数据队列的末尾。

30.根据权利要求19所述的以太网交换机进行数据通讯的方法，其还包括数据合法验证步骤，进行协议校验和CRC校验，以便判断所接收到数据帧是否合法。

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