CN117081886A - 一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，对设备形态和网络拓扑结构有较大的限制，仅支持SOC加三口交换机的设备形式，仅支持线性和单环路两种网络拓扑结构，使环网协议内设备具备主动通知链路变化的能力。本发明因对设备结构、环网结构、环网内设备做了严格的限制，环网协议内设备具备主动通知链路变化的能力，具备5毫秒内恢复环路故障的能力；因关闭了环网内所有交换机的mac地址学习功能，根设备能对环网内所有报文进行缓存，并筛选出环路断开时部分设备未收到的报文进行补发，使本环网协议能够在环路断开恢复过程中不会丢失报文。本发明具有环路故障回复时间极短且环路断开回复过程不会丢失报文的优点。
Description
技术领域
本发明涉及以太网环网技术领域，特别是一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法。
背景技术
目前以太网总线在PLC系统中得到了广泛应用，但是由于以太网的特性，在网络接线错误导致环路时会引起广播风暴，广播风暴会导致PLC设备的处理器忙于处理无用的网络网络报文而无法正常工作。在网络接线正常时如果有意外发生，导致网线意外断开时，PLC系统中的控制器会失去对部分节点设备的控制，这在部分安全性要求高的系统中是难以接受的。
现有技术方案：
CN101686158B以太网环路保护故障恢复的控制方法及以太网环路节点，本发明公开了一种以太网环路保护故障恢复的控制方法及以太网环路节点，包括，故障链路相邻节点检测到链路恢复后，阻塞刚刚恢复的端口，将所述端口设置为预转发状态并启动定时器，所述故障链路相邻节点在该定时器定时时间内如没有收到主节点发出的控制协议报文，则放开临时阻塞的所述端口，将该端口由预转发状态迁移至转发状态。应用本发明，在不能及时收到相应控制协议报文的前提下，链路恢复相邻节点的端口也能尽早由预转发状态进入转发状态，有效避免故障相应端口不能及时转发数据报文而造成的流量丢失。
CN101707538B一种检测以太网环路并且自动恢复的方法，一种检测以太网环路并且自动恢复的方法，涉及以太网环路的检测与恢复，包括以下步骤：步骤1，环路检测初始化模块完成初始化；步骤2，构造、收发、分析环路检测报文，判断是否存在环路；步骤3，标志位赋值，当存在环路时报文重定向到CPU并发出警告信息；步骤4，环路故障恢复情况监测及处理；步骤5，重复步骤2到4。本发明所述的检测以太网环路并且自动恢复的方法，可以检测单端口与双端口的环路故障，也可以检测到环路并且能够判断相应的环路是否消除从而将环路恢复，同时提供了防止用户伪造环路检测报文来造成环路阻塞的假象的解决策略，具有对以太网交换芯片的硬件配置要求低，实现简单的特点。
CN114760207A以太网的环网破环方法与系统，本发明公开了一种以太网的环网破环方法，包括：在网络节点有变化时，通过拓扑学习使网络中各节点知道整个网络的拓扑；在网络数据流出现异常时判断是否产生环路，如果产生环路则进行环网破坏。本发明里各节点在平时知道整个网络的拓扑，也知道自己在网络中的位置，在出现环网的时候某个节点马上就能知道环路产生的位置以及新增的端口，只需要该节点断开新增端口即可破环，破环速度快，稳定性高。在平时网络稳定的时候也不需要发送额外的报文，基本无负载。本发明还提供了一种以太网的环网破环系统，包括多个节点，在网络数据流出现异常时，采用以太网的环网破环方法进行环网破环。
CN115695082A车载以太环网保护切换方法、装置、电子设备及存储介质，本发明的实施例提供了一种车载以太环网保护切换方法及装置、电子设备和存储介质，该车载以太环网保护切换方法包括将以太环网各节点分为一个主节点和若干从节点；各节点的端口配置为基于VLAN的入向阻塞，且各节点端口对链路检测报文所在VLAN为打开状态；链路正常时，各节点互相发送链路检测报文检测链路状态；当检测到链路故障时，阻塞故障链路两端端口，并对外发送链路异常通知报文，主节点和第一从节点接收到链路异常报文后，打开两端端口，故障链路两端节点互相发送链路检测报文，在单向阻塞的情况下抑制环网风暴和可以快速完成链路的恢复，提升了协议对系统的兼容性。
ERPS以太网多环保护技术
STP生成树协议。
但是，上诉现有技术仍然存在如下问题：
1.环路故障恢复速度普遍在10毫秒以上；
2.环路故障恢复过程中都会导致报文丢失。
因此，亟需提出一种能解决上述问题的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法及系统。本发明具有环路故障回复时间极短且环路断开回复过程不会丢失报文的优点。
本发明的技术方案：一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，所有设备上电时默认都为根设备，端口模式为虚断模式，具体流程如下：
S1.关闭交换机的MAC地址学习功能；
S2.向静态mac地址表中添加环网特殊mac；
S3.检测自身有几侧端口为上线，并向已上线的端口发生仲裁报文；
S4.判断是否接收到链路变化报文，若接收到，则发送链路变化应答报文，并向对应端口发生仲裁报文；
S5.若接收到仲裁报文，则对比判断mac地址：若源设备的mac地址比自身的mac地址小，则自身仲裁落败，执行S6；若源设备的mac地址比自身的mac地址大，则自身仲裁获胜，执行S7；若相同，执行S8；
S6.将收到的仲裁报文从另一侧端口转发出去，并从收到报文的端口回复一个一样的报文，将环网特殊mac从静态mac地址表中删除；设备角色切换为从设备，端口模式切换为通路模式，执行从设备操作；
S7.从收到的端口回复一个仲裁报文源设备mac为自身mac，目的设备mac为广播mac；设备角色保持根设备，端口模式不变；
S8.认为仲裁报文发送端口为自己的另外一个端口，判断为环路建立；设备角色保持根设备，端口模式切换为虚断模式；
S9.如果发送仲裁报文后超过5毫秒没有从另外一个端口收到该仲裁报文，则判断为环路断开；设备角色保持根设备，端口模式切换为通路模式；
S10.设备端口模式处于虚断模式时，执行报文缓冲操作。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，S6所述的从设备操作，具体流程如下：
S11.如果检测到一侧端口下线则发送链路变化报文，如果5毫秒内没有收到应答，则判断环网根设备下线，自身切换为根设备，端口模式保持通路模式；
S12.如果检测到两侧端口均下线则设备角色切换为根设备，端口模式切换为虚断模式。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，S10所述的执行报文缓冲操作，其具体内容为：
端口2和端口3收到的报文都会被缓存起来，当一个从端口2收到的已经存在于缓存中的报文又从端口3中被收到时，这个报文会从缓存中删除；
反之从端口3收到的已经存在于缓存中的报文从端口2被收到时也会从缓存中删除；
当设备端口模式由虚断模式切换为通路模式前会将缓存的报文发出，端口2收到的报文从端口3发出，端口3收到的报文从端口2发出。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，限定为SOC加三口交换机的设备形式，仅支持线性和单环路两种网络拓扑结构。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，所述虚断模式具体为，将向外开放的两个端口和与控制器连接的端口划分两个独立的vlan，使收到的报文都只会发送给控制器；
所述通路模式具体为，将三个端口都划分到同一个vlan，使向外开放的两个端口互通。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，所述根设备具体为，其端口模式能在虚断模式和通路模式之间切换；静态mac地址表中存在环网特殊mac，环网报文只会转发给控制器，不会从另一侧端口转发出去；交换机的mac地址学习功能关闭，除了目的mac为环网特殊mac的报文，其他目的mac的报文都会被泛洪；
所述从设备具体为，其端口模式始终保持为通路模式，静态mac地址表中不存在环网特殊mac，环网报文会被泛洪；交换机的mac地址学习功能关闭，所有其他报文都会被泛洪。
前述的具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法中，所述仲裁报文具体为，报文类型字段为00 00，只有根设备会发送；
所述链路变化报文具体为，报文类型字段为00 01，只有从设备会发送。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明因对设备结构、环网结构、环网内设备做了严格的限制，使环网协议内设备具备主动通知链路变化的能力，使本环网协议能够具备5毫秒内恢复环路故障的能力；
2.本发明因关闭了环网内所有交换机的mac地址学习功能，使根设备能够对环网内所有报文进行缓存，并筛选出环路断开时部分设备未收到的报文进行补发，使本环网协议能够在环路断开恢复过程中不会丢失报文。
因此，本发明具有环路故障回复时间极短且环路断开回复过程不会丢失报文的优点。
附图说明
图1是本发明设备框架图；
图2是本发明虚断模式示意图；
图3是本发明通路模式示意图；
图4是本发明的环网拓扑图；
图5是本发明的设备角色状态转换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，如图1所示，限定为SOC加三口交换机的设备形式，仅支持线性和单环路两种网络拓扑结构；所有设备上电时默认都为根设备，端口模式为虚断模式，具体流程如下：
S1.关闭交换机的MAC地址学习功能；
S2.向静态mac地址表中添加环网特殊mac；
S3.检测自身有几侧端口为上线，并向已上线的端口发生仲裁报文；
S4.判断是否接收到链路变化报文，若接收到，则发送链路变化应答报文，并向对应端口发生仲裁报文；
S5.若接收到仲裁报文，则对比判断mac地址：若源设备的mac地址比自身的mac地址小，则自身仲裁落败，执行S6；若源设备的mac地址比自身的mac地址大，则自身仲裁获胜，执行S7；若相同，执行S8；
S6.将收到的仲裁报文从另一侧端口转发出去，并从收到报文的端口回复一个一样的报文，将环网特殊mac从静态mac地址表中删除；设备角色切换为从设备，端口模式切换为通路模式，执行从设备操作；
S7.从收到的端口回复一个仲裁报文源设备mac为自身mac，目的设备mac为广播mac；设备角色保持根设备，端口模式不变；
S8.认为仲裁报文发送端口为自己的另外一个端口，判断为环路建立；设备角色保持根设备，端口模式切换为虚断模式；
S9.如果发送仲裁报文后超过5毫秒没有从另外一个端口收到该仲裁报文，则判断为环路断开；设备角色保持根设备，端口模式切换为通路模式；
S10.设备端口模式处于虚断模式时，执行报文缓冲操作。
S6所述的从设备操作，具体流程如下：
S11.如果检测到一侧端口下线则发送链路变化报文，如果5毫秒内没有收到应答，则判断环网根设备下线，自身切换为根设备，端口模式保持通路模式；
S12.如果检测到两侧端口均下线则设备角色切换为根设备，端口模式切换为虚断模式。
S10所述的执行报文缓冲操作，其具体内容为：
端口2和端口3收到的报文都会被缓存起来，当一个从端口2收到的已经存在于缓存中的报文又从端口3中被收到时，这个报文会从缓存中删除；
反之从端口3收到的已经存在于缓存中的报文从端口2被收到时也会从缓存中删除；
当设备端口模式由虚断模式切换为通路模式前会将缓存的报文发出，端口2收到的报文从端口3发出，端口3收到的报文从端口2发出。
如图2，所述虚断模式具体为，将向外开放的两个端口和与控制器连接的端口划分两个独立的vlan，使收到的报文都只会发送给控制器；
如图3，所述通路模式具体为，将三个端口都划分到同一个vlan，使向外开放的两个端口互通。
所述根设备具体为，其端口模式能在虚断模式和通路模式之间切换；静态mac地址表中存在环网特殊mac，环网报文只会转发给控制器，不会从另一侧端口转发出去；交换机的mac地址学习功能关闭，除了目的mac为环网特殊mac的报文，其他目的mac的报文都会被泛洪；
所述从设备具体为，其端口模式始终保持为通路模式，静态mac地址表中不存在环网特殊mac，环网报文会被泛洪；交换机的mac地址学习功能关闭，所有其他报文都会被泛洪。
所述仲裁报文具体为，报文类型字段为00 00，只有根设备会发送；
所述链路变化报文具体为，报文类型字段为00 01，只有从设备会发送。
报文格式如下表
其中，环网特殊mac：所有环网报文的以太网目的mac地址都为环网特殊mac；
源设备mac：发送报文设备的mac地址；
特殊类型：以太网报文的类型字段0x1403表示环网报文；
目的设备mac：接收报文的目的设备mac地址，ff:ff:ff:ff:ff:ff表示广播地址；
报文类型：
0x0000表示仲裁报文，所有仲裁报文均为广播报文；
0x0001表示链路变化报文，请求报文为广播报文，应答报文为非广播报文；
发送端口号：2/3代表从端口2发出还是从端口3发出，仅仲裁报文需要填写，链路变化报文固定填0。
人为环路故障测试：
对具有16个设备的环网中的某个设备进行持续不断的无间隔的ping报文测试时，人为制造环路故障，ping报文的响应时间增加在5毫秒以内，说明本申请的环路故障恢复时间极短；
对具有16个设备的环网中中的某个设备进行持续不断的无间隔的ping报文测试时，人为制造环网断开，没有任何ping报文没有得到响应，说明本申请的环路断开恢复过程不会导致报文丢失。
Claims (7)
1.一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于，所有设备上电时默认都为根设备，端口模式为虚断模式，具体流程如下：
S1.关闭交换机的MAC地址学习功能；
S2.向静态mac地址表中添加环网特殊mac；
S3.检测自身有几侧端口为上线，并向已上线的端口发生仲裁报文；
S4.判断是否接收到链路变化报文，若接收到，则发送链路变化应答报文，并向对应端口发生仲裁报文；
S5.若接收到仲裁报文，则对比判断mac地址：若源设备的mac地址比自身的mac地址小，则自身仲裁落败，执行S6；若源设备的mac地址比自身的mac地址大，则自身仲裁获胜，执行S7；若相同，执行S8；
S6.将收到的仲裁报文从另一侧端口转发出去，并从收到报文的端口回复一个一样的报文，将环网特殊mac从静态mac地址表中删除；设备角色切换为从设备，端口模式切换为通路模式，执行从设备操作；
S7.从收到的端口回复一个仲裁报文源设备mac为自身mac，目的设备mac为广播mac；设备角色保持根设备，端口模式不变；
S8.认为仲裁报文发送端口为自己的另外一个端口，判断为环路建立；设备角色保持根设备，端口模式切换为虚断模式；
S9.如果发送仲裁报文后超过5毫秒没有从另外一个端口收到该仲裁报文，则判断为环路断开；设备角色保持根设备，端口模式切换为通路模式；
S10.设备端口模式处于虚断模式时，执行报文缓冲操作。
2.根据权利要求1所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于，S6所述的从设备操作，具体流程如下：
S11.如果检测到一侧端口下线则发送链路变化报文，如果5毫秒内没有收到应答，则判断环网根设备下线，自身切换为根设备，端口模式保持通路模式；
S12.如果检测到两侧端口均下线则设备角色切换为根设备，端口模式切换为虚断模式。
3.根据权利要求1所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于，S10所述的执行报文缓冲操作，其具体内容为：
端口2和端口3收到的报文都会被缓存起来，当一个从端口2收到的已经存在于缓存中的报文又从端口3中被收到时，这个报文会从缓存中删除；
反之从端口3收到的已经存在于缓存中的报文从端口2被收到时也会从缓存中删除；
当设备端口模式由虚断模式切换为通路模式前会将缓存的报文发出，端口2收到的报文从端口3发出，端口3收到的报文从端口2发出。
4.根据权利要求2所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于：限定为SOC加三口交换机的设备形式，仅支持线性和单环路两种网络拓扑结构。
5.根据权利要求4所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于：
所述虚断模式具体为，将向外开放的两个端口和与控制器连接的端口划分两个独立的vlan，使收到的报文都只会发送给控制器；
所述通路模式具体为，将三个端口都划分到同一个vlan，使向外开放的两个端口互通。
6.根据权利要求4所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于：
所述根设备具体为，其端口模式能在虚断模式和通路模式之间切换；静态mac地址表中存在环网特殊mac，环网报文只会转发给控制器，不会从另一侧端口转发出去；交换机的mac地址学习功能关闭，除了目的mac为环网特殊mac的报文，其他目的mac的报文都会被泛洪；
所述从设备具体为，其端口模式始终保持为通路模式，静态mac地址表中不存在环网特殊mac，环网报文会被泛洪；交换机的mac地址学习功能关闭，所有其他报文都会被泛洪。
7.根据权利要求4所述的一种具备快速故障恢复能力的以太网环网实现方法，其特征在于：
所述仲裁报文的报文类型字段为00 00，只有根设备会发送；
所述链路变化报文的报文类型字段为00 01，只有从设备会发送。
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