CN1246994C - 用于在局域网内实现快速恢复进程的方法和系统 - Google Patents

用于在局域网内实现快速恢复进程的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在冗余树形结构局域网内加速故障恢复的方法与系统。本发明用于将一些LAN端口定义为关键端口，所述LAN端口例如用于将交换机(SW)连接到IP路由器内。同样，其它一些用于将IP主机连接到所述交换机(SW)的LAN端口被定义为从属于所述关键链路。如果发现关键LAN端口或对应链路是无功能的，例如未检测到载波，则所有LAN端口或从属于其的对应链路被宣告为是无功能的。所述宣告是在链路层上以这样一种方式完成的，即允许连接到链路另一端的设备或端口注意到所述的链路不再用于传送业务。

Description

用于在局域网内实现快速恢复进程的方法和系统
技术领域
本发明涉及局域网(LAN)。本发明尤其涉及一种用于在局域网内实现快速恢复进程的新颖改进方法与系统。
背景技术
局域网(LAN)是一组在小地理范围内(例如在办公楼内、在IP骨干网络的特定部分内、或在诸如电话交换或网络控制单元的网络单元内)共享公用通信线路以及通常共享单个处理器或服务器的计算机和相关设备。在本文中，所述局域网还可表示使用所谓的“松散耦合多处理器”的体系结构，在该体系结构中所述处理器之间的消息被经由以太网发送。这种体系结构例如可被实施在用于第三代移动网络的“全IP”体系结构的IP中继线、MSC服务器(移动交换中心，MSC)或是诸如连接处理服务器(CPS)或原籍用户服务器的网络单元内。
通常，所述服务器具有由多计算机用户或中央处理单元(CPU’s)共享的应用和数据存储器。所述局域网可服务于少至两个或三个用户或客户(例如，在家庭网络中)，或是多至几千个用户。使用从第一个客户到第二个客户的路径在两个客户或主机之间传送信息。这些路径是通过使用两个网络单元之间的链路来形成的。一般而言，所述路径是事先形成的。在冗余网络中，主机或客户到第一网络节点的第一链路被复制，从而允许在第一路径故障的情况下恢复到另一路径。
路由器是计算机内的设备，在某些情况下是计算机内的软件，其确定分组应当被转发到目的地的下一个网络点。所述路由器连接到至少两个网络，并且基于其当前对于其所连接到网络的状态的了解来确定经由哪条路线发送每个信息分组。所述路由器通常作为网络交换机的一部分。
所述交换机是选择用于将数据单元发送到其下一个目的地的路径或电路的网络设备。所述交换机也可能包括能够确定路由以及数据应当被发送到的邻近网络点的路由器、设备或程序的功能。一般而言，交换机与路由器相比是更为简单和快速的装置，所述路由器需要关于网络以及如何确定路由的知识。
至于分层的开放系统互连(OSI)通信模式，交换机通常与第二层，即数据链路层相关。然而，某些更新的交换机还可执行第三层，即网络层的路由功能。第三层交换机有时也被称为IP交换机。
在计算机和电信设备上，端口通常是具有插槽和某种插头的用于物理连接到其它一些设备的具体位置。链路在某些使用中是两点之间的物理的逻辑连接。所述的链路的两端通常连接到所述端口。
在本文中，术语“主机”表示任何在网络内具有接入其它计算机的两条完整路线的计算机。主机具有与网络号码共同形成其唯一地址的特定“本地或主机号码”。“主机”是网络内的节点。
为了维护网络的操作，必须注意所有实体单元都是可操作的。作为网络管理的一部分的故障管理改善了网络的可靠性，从而向网络维护人员和网络自身提供用于迅速检测和纠正故障的工具。故障管理的责任在于安排工作从而使得问题与中断对于用户将尽可能少的可见。
网络内的设备可能每次在发生故障情况(日志)时发送关键情况的通知。关键情况的实例为，设备的重新启动或是从未从设备接收到响应。在大多数情况下，仅仅基于这种类型的信息的故障管理并不会提供网络状态的足够描述。例如，某一设备在损坏时，通常不能发送其通知。
可以有规则地向网络设备询问其状态(轮询)。所述询问能够相当迅速地检测故障。然而，它们从实际有效负载中消耗网络容量。必须在检测精确性与将要使用的网络容量之间平衡，即希望越高的检测精确性，就会使用越大部分的网络传送容量。其它对于轮询间隔的选择产生影响的是将被监控的设备数量和将被使用的链路容量。
在检测故障时，必须正确定位故障并将网络的剩余部分与故障所引起的干扰隔离。必须以这样一种方式配置或改变网络，即使得元件的消除对于网络操作的影响最小。最终，通过恢复或更换故障元件来重新设置网络。
然而，存在其中上述用于故障管理的方法以及用于故障检测的大部分方法无法得到应用的情况和网络技术方案，因为故障必须被立刻检测。例如，在网络单元或IP网络的内部网络结构内，组合两个插入式单元的链路的故障可能会导致正在进行的呼叫或实时数据连接的中问题，在这种情况下必须相当迅速地检测出故障，以便所述呼叫或连接不会被中断且用户不会检测到故障。
在冗余局域网内，标准方法是使用跨接树协议(STP)或是某些特定于买主的专用解决方案。所述跨接树协议与算法是由IEEE委员会(电气及电子工程师协会)研发的。如今IEEE正在尝试构建减少网络恢复时间的增强跨接树算法。目标是在链路状态发生故障或变化之后从30至60秒减少到小于10秒。然而，由于需要很长的恢复时间，所以STP并不适用于要求快速恢复(几秒即为最大值)的环境。
另一可选技术方案是每个IP主机监控其具有到LAN的关键部分的功能链路(一般而言，这是将所述主机与外部IP网络连接的路由器)。实施所述监控的一种简单方法是使用“ICMP回波(脉冲)”消息，该消息被发送至路由器及将做出响应的元件。ICMP是主机服务器与到互联网的网关之间的消息控制和故障报告协议。ICMP使用互联网协议数据报，但所述消息由IP软件处理，且对于应用用户并不直接显而易见。
标准STP的主要问题是其可能的缓慢恢复(恢复可能会花费几十秒，在此期间内部分或全部的LAN将不能携带业务)。特定于卖主的解决方案会更为迅速，但是其要求所有关键设备(主要是LAN交换机)都从一个提供商购买。
“ICMP回波”方法还存在一些问题：其只可与具有对应IP地址的链路一起使用。换言之，如果存在并不具有IP地址的冗余LAN端口(例如，端口恰好空闲且用于原来的LAN端口发生故障的情况)，则无法使用该方法。所述“ICMP回波”消息造成LAN，特别是路由器(或其它一些主机希望脉冲的设备)的额外负载。因此，无法经常监控链路的功能，而是仅可间歇性地进行监控，例如五秒一次。某些“回波”消息还可能由于拥塞而丢失，因而只能在若干无响应消息之后起动所述恢复。结果，即使恢复本身相当迅速，故障检测仍然会很慢，需要花费几秒到大约20秒。
发明内容
本发明涉及一种在冗余树型结构的局域网中加快故障恢复的方法和系统。在本文中，所述的树型结构表示所述网络内并不存在闭环。所述的树型是定向的非循环网络。本发明被用于定义某些LAN端口，所述LAN端口例如被用于将交换机作为关键部分连接到IP路由器内。同样，其它一些用于将IP主机连接到所述交换机的LAN端口被定义为从属于关键链路。如果发现关键LAN端口或对应链路是无功能的，例如未检测到载波，则所有关键LAN端口或从属于其的对应链路都被宣告为是无功能的。所述宣告是在链路层上以这样一种方式执行的，即允许连接到链路另一端的设备或端口通知所述的链路不再用于传送业务。因此，网络效应是将对于树的高层上故障的了解迅速向下传播到主机，从而实现快速恢复。
根据本发明的一个方面，提供了一种在冗余树型结构的局域网中快速恢复主机设备连接的方法，所述局域网包括至少一个关键链路以及至少一个从属链路，其中所述关键链路的状态影响其从属链路的状态，
其特征在于，所述方法包括步骤：
监控所述关键链路的状态；
如果所述关键链路被检测为处于链路关闭状态，则将所述从属链路设定在链路关闭状态；
监控所述主机设备的有效链路的状态；以及
如果所述有效链路处于链路关闭状态，则在所述主机设备中开始恢复过程。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在冗余树型结构的局域网中快速恢复主机设备连接的系统，所述局域网包括：
至少一个关键链路，以及
至少一个从属链路，
其中所述关键链路的状态影响其从属链路的状态，
其特征在于，所述系统包括：
监控装置，用于监控所述关键链路的状态，在所述关键链路被检测为处于链路关闭状态时，将所述从属链路设定在链路关闭状态，并且在所述主机设备的有效链路处于链路关闭状态时，在所述主机设备中开始恢复过程。
本发明可以使得故障的检测相当迅速，大约耗时1秒，甚至可能更少。因此所述恢复时间得到显著减少。此外，根据本发明，故障检测并不会加大LAN的负载，即使负载减少可能非常显著。此外，本发明的可用性并不要求所有将被监控的端口(链路)具有IP地址。
本发明还克服了在“ICMP回波”机制为路径的端对端验证意义上的“ICMP回波”机制问题，本发明能够保证从所述主机到外部IP网络或是从外部IP网络到所述主机的物理路径在使用中。
此外，本发明还可以与现有LAN交换机兼容的方式来实施。原因在于，本发明机制并不需要LAN交换机之间的任何协议。
附图说明
附图被用于提供本发明的进一步理解并构成本说明书的一部分，示出了本发明的具体实施例，并与所述描述一起解释了本发明的原理。在所述附图中：
图1是示出了根据本发明一个实施例的网络结构的方框图，以及
图2a-2b更为详细地描述了根据本发明一个实施例的网络单元的结构。
具体实施方式
以下将具体参考本发明的实施例，该实施例的实例在附图中示出。
图1中描述了具有树型拓扑的冗余LAN。术语“冗余”意味着主机连接已被复制以允许在链路或路径故障情况下从有效链路Ll1切换到备用链路Ll2。图1中还存在着以虚线描述的有效连接(业务流)。该连接在主机1和路由器R1之间建立。应当注意的是，此例中LAN拓扑使得LAN交换机至少有两级。
如果第一级LAN交换机SW1，...，SW6中的一个发生故障，即故障1，或是为了维护而断电等，不会出现较大问题，因为主机“主机1”，...，“主机9”直接连接到第一LAN交换机，且其可以在链路/LAN端口从连接状态转到链路关闭状态时对自身进行检测。当主机中的LAN驱动软件通知链路关闭情况时，恢复可被立即启动。如果第二级LAN交换机SW7、SW8中的一个发生故障，即故障2，在到对应路由器的链路或是第一级和第二级LAN交换机之间的链路发生故障的情况下，情况是相同的，问题是因为主机并非直接连接到第二级LAN交换机，所以它们无法直接检测所述故障。这是因为从主机到第一级LAN交换机的链路保持链接状态。仅在主机发现路由器并未响应于“ICMP回波”消息时，所述恢复方才起动。但如上所述，这并非起动所述恢复进程的最佳、最快的方法。
以下将描述本发明的构想。在发生故障的第二级LAN交换机SW7内，已经定义了称为上行链路的到路由器R1的链路LSW7为关键链路，而到第一级LAN交换机SW1、SW3、SW5的所谓下行链路LSW1、LSW3、LSW5依赖于所述关键上行链路LSW7。因此，如果上行链路LSW7发生故障，则所有下行链路LSW1、LSW3、LSW5都会被设置为链路关闭状态。同样，在第一级LAN交换机SW1、SW3、SW5中，到第二级LAN交换机SW7的链路LSW1、LSW3、LSW5被定义为是关键的，而作为下行链路的到主机1，2，...，9的链路L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、L81、L91下行连接被定义为依赖于所述上行连接LSW1、LSW3、LSW5。结果是，如果第二级LAN交换机或其到路由器的链路发生故障，则链路关闭状态被下传到主机“主机1”，...，“主机9”。如果第一级和第二级LAN交换机发生故障，则相同的情况将会发生。因此，主机能够很快察觉到LAN内的故障，并能够立刻起动恢复。
所述恢复的一个实例是主机转换至预定缺省模式。这是诸如主机1的链路L12的冗余上行链路同样处于链路关闭状态时的情况。例如，作为可能主机1的实例的原籍用户服务器正在解决某个用户的简表，且其需要连接到路由器R1、R2之后的其它网络单元(并未显示)。如果链路L11和L12都处于链路关闭状态，则此例中的恢复就是主机1将预定缺省简表用于该用户。唯一重要的是主机尽快得到所述有效和冗余链路的链路关闭情况的通知。
应当注意的是，必要的改变将在LAN交换机上实施，即使与主机软件的协作是必需的。如果当前使用的LAN端口变为链路关闭状态，则主机将所有LAN业务移至冗余LAN端口。同样应当注意的是，每个LAN交换机可有多个关键链路，且链路可以不依赖、依赖一个或多个所述关键链路。如果链路依赖于多个关键链路，在任何一个所述关键链路都处于链路关闭状态的情况下，所述的链路将被设为链路关闭状态。
在链路发生故障的情况下，LAN交换机或路由器被修复并被投入操作，且所有连接到其的端口都被设为链接状态，除非另外由某项管理操作规定。结果是，所有依赖于其的链路同样被设置为链接状态，除非由管理操作拒绝。该进程在主机得到故障情况的通知的故障情况下基本相同。
如果连接的传送方向发生问题，则上述发明机制也可以用于通知主机或LAN交换机。其构思是设备通常无法了解是否正确传送或接收设备是否正确接收。然而，如果注意到链路另一端的设备并未正确接收或发送，即存在过多CRC(循环冗余检验)故障、不良帧等，可以认为所述的链路依赖于自身并将所述的链路的状态改变为链路关闭状态。
图2a中描述了根据本发明一个具体实施例的LAN交换机结构的近似实例。图2b中描述了根据本发明一个实施例的主机或CPU单元结构。
在两个实例中，存在着以太网控制器或连接到该网络单元自身的以太网物理层收发信机。所述以太网控制器EC至少被进一步分为两个组件或模块，其可以在相同的电路内。这些模块是媒体接入控制器MAC和物理层设备PHY。所述媒体接入层直接与网络适配器卡通信，并负责在两台计算机之间传送无差错数据。所述的物理层设备PHY与典型以太网系统内的收发信机执行大致相同的功能。
对于典型网络连接而言，数据终端设备、LAN交换机、主机或CPU设备(计算机)包括以太网控制器EC，其生成和发送在附加到该网络的计算机之间传送数据的以太网帧。所述接口或中继器端口也可被设计成包括所述PHY电子设备在内。在本发明中，所述以太网控制器EC被设计成监控有效连接的状态。在所述以太网控制器已经注意到链路关闭情况之后，其通过将下行链路设置为链接状态来向下“发送”关于该情况的信息。当主机内的所述以太网控制器注意到有效连接的链路关闭情况时，其通知主机软件，则所述恢复可以起动。
图2a中描述了将N端口实施在LAN交换机内。所述以太网控制器EC包括N对媒体接入控制器MAC-物理层设备PHY。物理层设备连接到控制逻辑，所述控制逻辑通常由微处理器实施，以监视和控制所述PHY设备的状态。
所述PHY设备的本质特征是其包括或提供通知链路或端口的状态的信息信号和/或寄存器。如果可使用软件来监控所述信息，其同样有用。所述PHY设备同样能够通过向微处理器提供中断来提供所述信息，所述微处理器能够将所述中断解释为PHY设备的状态改变。所述PHY设备的另一个本质特征是其可被重新设置为其中它可以将空闲信息给予其它PHY设备的状态。在图2a中，使用两种不同信号类型描述了上述两种本质特征。“链路关闭”指示信号被从所述PHY设备发送，以通知链路的当前情况的控制逻辑。因此，所述PHY设备可设置为能够被识别为所述设备的下行链路内的故障情况的状态。“PHY重新设置”信号被用于将所述PHY设备设置成链路关闭状态，从而使得下行链路方向上的其它PHY设备能够识别上行链路方向上的故障，即这些信号使所述PHY设备失效。
对于本领域技术人员而言，随着技术进步，发明的基础构思显然可以多种方式实施。因此，本发明及其实施例并不仅限于上述实例，相反其可在权利要求书的范围之内变化。

Claims (10)

1、一种在冗余树型结构的局域网中快速恢复主机设备连接的方法，所述局域网包括至少一个关键链路以及至少一个从属链路，其中所述关键链路的状态影响其从属链路的状态，
其特征在于，所述方法包括步骤：
监控所述关键链路的状态；
如果所述关键链路被检测为处于链路关闭状态，则将所述从属链路设定在链路关闭状态；
监控所述主机设备的有效链路的状态；以及
如果所述有效链路处于链路关闭状态，则在所述主机设备中开始恢复过程。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果两个网络单元之间的链路的故障影响到所述树型结构的较低层上的链路的数据流，则将所述链路指定为关键链路。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恢复过程包括步骤：
向所述主机设备的软件通知有效链路中的链路故障；
将所述主机设备的数据流改变到所述主机设备的冗余链路的有效路径。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恢复过程包括：
向所述主机设备的软件通知有效链路中的链路故障；
检验冗余链路的状态；以及
如果所述冗余链路处于链路关闭状态，
将所述主机设备转换到预定的缺省模式操作。
5、根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述冗余链路是所述有效链路的双链路。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控关键链路状态的步骤是通过监控所述链路上的数据流的质量来实现的。
7、一种在冗余树型结构的局域网中快速恢复主机设备连接的系统，所述局域网包括：
至少一个关键链路，以及
至少一个从属链路，
其中所述关键链路的状态影响其从属链路的状态，
其特征在于，所述系统包括：
监控装置，用于监控所述关键链路的状态，在所述关键链路被检测为处于链路关闭状态时，将所述从属链路设定在链路关闭状态，并且在所述主机设备的有效链路处于链路关闭状态时，在所述主机设备中开始恢复过程。
8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述监控设备还包括：
用于监控所述关键链路的物理状态的物理层设备，以及
用于改变所述从属链路的状态的媒体接入控制器。
9、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，如果所述树型结构的网络单元(SW1，...，SW8)与更上层的网络设备之间的链路的故障影响到所述网络单元(SW1，...，SW8)与所述树型结构的较低层的网络设备之间的链路，则将所述链路设定为关键链路，并且所述网络单元(SW1，...，SW8)与所述树型结构的较低层的网络设备之间的链路为从属链路。
10、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述监控设备是以太网控制器。
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