CN1723659A - 双环路以太网 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到以太网(10)，它包括交换发自外部设备(ej)之有效载荷帧的多个以太网开关(ci)和多个转发器(i)，所说的每个转发器(i)与开关(ci)之一相关联并且包括一个主发送器(Epi)，一个辅助发送器(Esi)，一个主接收器(Rpi)和一个辅助接收器(Rsi)。此外，为数众多的转发器(i)由经过主发送器(Epi)和主接收器(Rri)进行传输的主环路(F1)以及由经过辅助发送器(Esi)和辅助接收器(Rsi)进行传输的辅助环路(F2)相连接起来，在主环路(F1)中循环的帧传播方向与在辅助环路(F2)中循环的帧传输方向相反。网络(10)包括两种状态，即：第一种正常运行状态，在这种状态下有效载荷帧只在主环路(F1)上循环而且分别由每个转发器(i)的主接收器(Rpi)和主发送器(Epi)来接收和发送；以及在万一出现故障时所应用的第二种运行状态，网络(10)包括短路装置，倘若在主环路(F1)上出现故障，它能够用一部分辅助环路(F2)将一部分主环路(F1)短路掉，而只在有效载荷帧在主环路(F1)上循环时才将其传输至以太网开关(Ci)。

Description

双环路以太网

本发明涉及到传输数据帧用的以太网。

以太网为局域网，它包括用诸如光纤等单一通信线路所连接起来的以太网开关；这在本领域中是人们所熟知的；每个开关接收来自如个人计算机等设备部件的有效载荷数据帧并将数据帧发送至其他开关，其他开关再把这些数据帧传输至其他的设备部件。每个以太网开关具有与设备部件以及其他开关相连接的端口。每个开关检查数据帧的源地址和目的地址并制出表明哪个设备部件与开关哪个端口相连接的表；这是在帧交换时用自我训练方法完成的，换句话说是自动完成的。因此，知道了目的端口后，开关就把信息只传输至相应的端口，所以其他端口就对可能同时发生的其他传输保持空闲。

用这类网络的一个问题涉及到在发生故障时，如光纤中的断开或光端口中出现故障时网络的运行。

本领域中已知的这一问题的一种解决方案包括使用图1中所示的那种冗余光学网络。光网络100包括三个以太网开关111，112和113。开关111，112和113由主环路123和辅助环路124相互连接起来。环路123和124例如是光纤环路。如箭头所示，环路123和124是逆向转动的环路，换言之，帧是沿相反的方向传输的。

正常运行时，通过两个环路发送帧，但段123A和124A除外。

在出现故障的情况下，例如连接开关113与开关112的光纤段123B出现断开，就不再能将帧从开关113发送至开关112。段124A然后被激活使得能够把帧从开关113传输至开关112。此帧由开关113发送至开关111，开关111再把该帧发送至开关112，所有传输都发生在光纤124。这样就有一个从正常运行到降级运行的变化。

不过，实施这种解决方案会产生一些困难。

开启有效载荷数据通信量最初不能使用的段124A完全改变了帧所取的路径。任何这种路径改变都必须重设所有以太网开关的路由选择表，这就意味着需要很长的恢复时间才能用自我训练方法来生成新的路由选择表。

本发明的目的是提供传输数据帧用的以太网，它包括多个转发器，能够有效转换到降级运行，并在转换至降级运行时不需要重设以太网开关的路由选择表。

为此，本发明提出了一个以太网，它包括交换发自外部设备部件之有效载荷数据帧的以太网开关和转发器，网络中的每个转发器与以太网开关之一相关联并且包括：

-主发送器和辅助发送器，及

-主接收器和辅助接收器，

所说的转发器由通过主发送器和主接收器的主传输环路以及由通过辅助发送器和辅助接收器的辅助传输环路相互连接起来，在主环路中循环的帧传输方向与在辅助环路中循环的帧传输方向相反，该网络的特征在于它有两种状态：

-正常运行状态，在这种状态下有效载荷数据帧只在主环路中循环并且分别由每个转发器的主接收器和主发送器来接收和发送，及

-降级运行状态，

所说的网络包括旁路装置，万一在主环路上出现故障旁路装置能够用一部分辅助环路将一部分主环路旁路掉，只有在主环路上循环的有效载荷数据帧才传输至以太网开关。

本发明能够实现从正常运行到降级运行的转变的方法在本说明的下余部分称之为“自恢复”法。

利用本发明，在检测出故障时，通信量就被转发到辅助环路直至自故障下行的转发器，因而能够产生有效的自恢复。此外，有效载荷数据帧，亦即由一个设备部件传输到另一个设备部件的帧，只有当它们只在主环路循环且从不在辅助环路循环时才由以太网开关进行处理。因此，以太网开关的路由选择表在自恢复模式中并不改变，而且自恢复方法也不干扰以太网开关的自我训练。

每个转发器最好都包括开关装置，这样有效载荷数据帧就能够在三种状态中循环：

-正常运行状态，在这种状态下有效载荷数据帧从主接收器至主发送器循环；

-第二状态，在这种状态下有效载荷数据帧从主接收器至辅助发送器循环，

-第三状态，在这种状态下有效载荷数据帧从辅助接收器至主发送器循环。

主环路和辅助环路最好是光环路。

被称为“填充符(filler)”帧的运行控制帧在网络处在正常运行状态时最好在辅助环路连续循环，每个填充符帧由转发器发送，然后在由称之为相邻转发器的下一转发器收到时再删除。

网络中传输的有效载荷数据帧和填充符帧最好每个都包括一故障位，而每个转发器都包括把该故障位改变到有效状态的装置，以便把故障信号发送给相邻转发器并迫使网络改变到降级运行状态。

在一具体的实施方案中，每个转发器包括一缓冲存储器，有效载荷数据帧和填充符帧包括一饱和位，而每个转发器还包括把饱和位改变到有效状态的装置，以便将其缓冲存储器的饱和信号发送给相邻转发器。

在没有有效载荷数据帧时，填充符帧最好在主环路中循环。

在一个特别有利的实施方案中，每个转发器 i包括用来中断该转发器本身所发送有效载荷数据帧之循环的装置。

因此，设置一个专用于开启环路的开关来清除帧是没有意义的。根据本发明，由转发器所发送的帧沿环路传输。由发送转发器开启线路在该转发器接收到其所发送的帧时来中断该帧的循环。

每个有效载荷数据帧最好包括一地址字节，该地址与发送该有效载荷数据帧的转发器的地址相对应，而如果转发器在有效载荷数据帧中识别出有其自己的地址，该有效载荷数据帧的循环就被中断。

每个填充符帧最好包括一地址字节，该地址对每个填充符帧都是相同的。

在本实施方案中，每个有效载荷数据帧最好包括一计数器字节，当帧在主环路中循环时，每个该帧通过转发器时该计数器都递增。

每个转发器最好包括清除有效载荷数据帧的装置，若帧的计数器字节内容超过网络中转发器的总数，装置就将该帧清除。

在第一种变型方案中，每个转发器最好包括与其相关联的以太网开关。

在第二种变型方案中，每个以太网开关最好在与其相关的转发器之外。

每个数据帧和每个填充符帧的结构最好对照标准以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括所说的故障位，饱和位，地址字节和/或计数器字节。

每个帧的开头最好包括一循环冗余校验字节。

每个帧的开头最好是标准以太网帧的前同步码(preamble)。

本发明的其他特点和优点在通过图解说明的非限制性实例所给出的实施方案的如下说明中会变得显而易见。

在附图中：

-图1是现有技术以太网的图示，

-图2是本发明网络正常运行时的图示，

-图3是本发明网络降级运行时的图示，及

-图4-6是本发明网络所用的转发器之三种状态的图示。

结合现有技术对图1作出上述说明。

图2是本发明的以太网10在正常运行时的图示。该网络采用100BaseFX光学技术。以太网NRZ1和100兆位/秒的4B/5B编码保证了光学链路上的连续活动。

网络10包括：

-光纤主环路F1，

-光纤辅助环路F2，

-转发器1-5，

-以太网开关C1-C5，以及

-设备部件ej(1≤j≤11)。

每个转发器i(1≤i≤5)包括：

-主接收器Rpi，

-辅助接收器Rsi，

-主发送器Epi，及

-辅助发送器Esi。

每个转发器 i与以太网开关Ci相关联。

主环路F1传输通过接收器Rpi进入的帧和通过发送器Epi离开的帧。

辅助环路F2传输通过接收器Rsi进入的帧和通过发送器Esi离开的帧。

所有在主环路F1中循环并到达转发器 i的帧都被传输到以太网开关Ci并同时发送至下一转发器。

帧在环路F1和F2中沿相反方向循环。

在正常运行中，有效载荷数据帧，亦即由设备部件ej(1≤j≤11)发送的帧只在主环路F1循环；不过，如下面参照图3所说明的那样，有效载荷数据帧也可以在辅助环路F2循环。

在正常运行中，称为填充符帧的运行控制帧在辅助环路F2中连续循环。填充符帧从不由转发器 i向前传送。收到它们时要对其验证，然后删除。

填充符帧在没有有效载荷数据帧时也在环路F1中循环。

所有在光环路F1和F2中循环的帧要参照100BaseFX技术的标准以太网帧进行修改。因而，前同步码中的四个专用字节就取代了标准以太网帧前同步码的四个字节。在接收到由设备部件ej所发送的有效载荷数据帧时由转发器 i将这四个专用字节加上并在有效载荷数据帧沿设备部件方向离开时将其清除。填充符帧也包括这四个专用字节。

所有有效载荷数据帧包括编码的从1-127的地址字节；这一字节的数值由转发器的地址决定，而且在通过转发器1-5时不加修改。填充符帧用0地址编码。

因此，在数据帧由转发器 i发送时，它绕环路F1传送。因而转发器 i接收由它本身发送的帧并开启中断该帧循环的线路。这就防止了数据帧在环路内连续循环。

所有在环路F1和F2中循环的帧包括一计数器字节。在帧绕主环路F1循环时由各转发器1-5使计数器字节递增。在帧由第一个发送帧的转发器 i发送时，计数器处于零。当帧在主链路Epi/Rpi上循环时，计数器由每个转发器递增。当帧通过辅助环路F2中的转发器时不加处理。

若转发器 i为非运行状态时，它就不再能清除其本身发送的帧。计数器字节防止了帧在网络中的连续循环。如果计数器字节的内容超过最初在网络中存在的转发器总数，那么该帧就由另一转发器清除。

所有在环路F1和F2中循环的帧都包括一状态字节。状态字节包括：

-故障位，及

-饱和位。

转发器 i当它检测出其缓冲存储器(未示出)饱和时就使用饱和位。为此，它把填充符帧的饱和位置于1并将该填充符帧发送至辅助环路中的相邻转发器。例如，如果转发器2饱和，它就把饱和位被置于1的填充符帧发送至辅助环路F2中的转发器1。

参照图3，对故障位的使用予以更详细的说明。

所有在环路F1和F2中循环的帧包括一循环冗余校验(CRC)字节，这一CRC字节不同于标准以太网帧的CRC字节。

这种通过使转发器 i参照标准以太网帧去修改帧来管理环路F1和F2的原理与所用网络的类型无关，因此它可以用于除以太网以外的网络，这一原理也可以应用于不包括开关而只有直接与设备部件相连接的集中器或转发器的以太网。

图3为图2中所示网络10的图示，但其主环路F1在发送器Ep2与接收器Rp3之间断开。

在这种状态下，转发器3的接收器Rp3不再接收帧，从而检测出主环路F1光纤中的断开。

转发器3接着把故障位被置于1的填充符帧发送至相邻转发器2，如虚线箭头所示。

有效载荷数据通信量接着被再路由至辅助环路F2。换句话说，有效载荷数据帧通过辅助发送器Es2，然后在辅助环路F2中循环直至辅助接收器Rs3。因此，网络是自恢复的。

只有在主环路F1中循环的有效载荷数据帧才被传输到开关Ci。

因此，即使出现故障，开关Ci的路由选择表也仍保持不变，因而路由选择表不需重设。

有助于自恢复的另一因素与专用CRC字节有效。即使该CRC指示出例如在发送器与接收器间存在传输故障，网络也还是自恢复的。

如图2和3中所示的转发器 i，其随网络10运行状态的变化至少可以取三种状态。

图4为转发器 i第一状态A的图示。

转发器 i具有：

-三个端口P1，P2和P3，

-开关装置13，14和15，

-装置11，其用于清除专用字节，

-装置12，其用于插入专用字节，

-第一装置17，用于修改专用字节和发送填充符帧，

-第二装置18，用于修改专用字节和发送填充符帧，

-第一帧处理装置16，

-第二帧处理装置19，

-主接收器Rpi，

-辅助接收器Rsi，

-主发送器Epi，及

-辅助发送器Esi。

端口P1，P2和P3为媒体独立接口(MII)端口。

端口P1是以太网开关Ci的端口，未示出。

端口P2和P3是在主环路和辅助环路中用来发送和接收帧的端口。

装置12将专用字节插入到通过以太网开关端口P1从设备部件所接收的标准有效载荷数据以太网帧的前同步码。

装置11在将有效载荷数据帧被传输到以太网开关端口P1并再传输到设备部件之前从这些帧中清除专用字节。

开关装置13，14和15每个都可在两个配置间进行转换。

开关装置13，14和15使得到达主接收器Rpi的帧TA1：

-若么由主发送器Epi向前发送，

-若么由处理装置16清除，如果它是由发送器本身发送的帧或是填充符帧，或如果超出了计数器字节极限值的话。

当帧TA1是有效载荷数据帧时也将它传输至以太网开关的端口P1；装置11从帧TA1中清除专用字节，帧TA1又回复到标准的以太网帧。

同样地，开关装置13，14和15使得到达辅助接收器Rsi的帧TA2：

-要么由主发送器Esi向前发送，

-要么由处理装置19清除，如果它是由发送器本身发送的帧或是填充符帧，功如果超出了计数器字节极限值的话。

与帧TA1不同，帧TA2不传输至以太网开关的端口P1：这样，在自恢复的情况下，以太网开关对于在辅助环路中循环的有效载荷数据帧TA2来说就是透明的。

通过端口P1接收到的新的有效载荷数据帧TA3首先由装置12修改，装置12把专用字节插入该帧的前同步码；然后再将它传输至在主环路中发送它的主发送器Epi。

正常运行中，帧TA1是有效载荷数据帧，而帧TA2是填充符帧。这就是图2中所示转发器1-5的配置情况。在这种情况下，在没有有效载荷数据帧时，帧TA1也可以是填充符帧。

倘若出现故障，装置17和18就把发送至相邻转发器的帧的故障位改变成有效状态(从0改变成1)以便向相邻转发器发出故障信号。

装置17和18还把发送至相邻转发器的帧的饱和位转换至有效状态(从0转换到1)以便向相邻转换器发出转换器 i的缓冲存储器饱和的信号。

在自恢复网络中，帧TA1和TA2为有效载荷数据帧。这就是图3中所示转发器1，4和5的配置情况。在这种情况下，在没有有效载荷数据帧时帧TA1和TA2可以是填充符帧。

图5是转发器 i第二状态B的图示。

开关13，14和15使得到达主接收器Rpi的帧TB1：

-若么由辅助发送器Esi向前发送，

-若么由处理装置16清除，如果它是由发送器本身发送的帧或是填充符帧，或如果超出了计数器字节极限值的话。

在帧TB1为有效载荷数据帧的情况下，也将它传输至以太网开关的端口P1；装置11从帧TB1中清除专用字节，帧TB1又回复到标准的以太网帧。

通过端口P1接收到的新的有效载荷数据帧TB2首先由装置12修改，装置12把专用字节插入该帧的前同步码；然后再将它传输至在辅助环路中发送它的辅助发送器Esi。

这一配置就是图3中所示转发器2的配置。

图6是转发器 i第三状态C的图示。

开关13，14和15使得到达辅助接收器Rsi的帧TC1：

-若么由辅助发送器Epi向前发送，

-若么由处理装置19清除，如果它是由发送器本身发送的帧或是填充符帧，或如果超出了计数器字节极限值的话。

在帧TC1为有效载荷数据帧的情况下，也将它传输至以太网开关的端口P1；装置11从帧TB1中清除专用字节，帧TB1又回复到标准的以太网帧。

通过端口P1接收到的新的有效载荷数据帧TC2首先由装置12修改，装置12把专用字节插入该帧的前同步码；然后再将它传输至在主环路中发送它的主发送器Epi。

这一配置就是图3中所示转发器3的配置。

当然，本发明并不限于刚刚说明的实施方案。

特别是，已经说明了涉及光学网络的本发明，但本发明也能够转用于电气网络。

类似地，已经说明了仅两种类型的帧，但也可以设想出如标识帧等第三种类型的帧，这类帧管理网络初始化的相位以及环路中转发器出现/消隐的相位。由转发器发送的帧就绕着环路传送。该帧像有效载荷数据帧一样，由环路中的转发器传播，但不发送至端口P1。帧每次通过主环路中的转发器时计数器字节就递增。当它返回时，该转发器就知道了环路中转发器的数目。这一数值存入到该转发器。

Claims (20)

1.以太网(10)，它包括对来自外部设备部件(ej)的有效载荷数据帧进行交换的以太网开关(Ci)和转发器(i)，在该网络中，每个转发器(i)与一个以太网开关(Ci)相关联并包括：

-主发送器(Epi)和辅助发送器(Esi)，及

-主接收器(Rpi)和辅助发送器(Rsi)，

所说的转发器(i)由通过主发送器(Epi)和主接收器(Rpi)的主传输环路(F1)以及由通过辅助发送器(Esi)和辅助接收器(Rsi)的辅助传输环路(F2)相互连接起来，在主环路(F1)中循环的帧的传输方向与在辅助环路(F2)中循环的帧的传输方向相反，该网络(10)的特征在于，它具有两种状态：

-正常运行状态，在这种状态下有效载荷数据帧只在主环路(F1)中循环并且分别由每个转发器(i)的主接收器(Rpi)和主发送器(Epi)来接收和发送，及

-降级运行状态，

所述网络(10)包括旁路装置，在主环路(F1)中出现故障的情况下，旁路装置能够用一部分辅助环路(F2)将一部分主环路(F1)旁路掉，只有在主环路(F1)中循环的有效载荷数据帧才被传输至以太网开关(Ci)。

2.根据权利要求1的以太网(10)，其特征在于，每个转发器(i)包括开关装置(13，14，15)，使得所述有效载荷数据帧就能够在三种状态中循环：

-正常运行状态(A)，在这种状态下有效载荷数据帧从主接收器(Rpi)至主发送器(Epi)循环，

-第二状态(B)，在这种状态下有效载荷数据帧从主接收器(Rpi)至辅助发送器(Esi)循环，及

-第三状态(C)，在这种状态下有效载荷数据帧从辅助接收器(Rsi)至主发送器(Epi)循环。

3.根据前述两个权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，所述主环路(F1)和辅助环路(F2)为光环路。

4.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，被称为填充符帧的运行控制帧当网络(10)处在正常运行状态时在辅助环路(F2)中连续循环，每个填充符帧由一转发器发送，然后在由被称为相邻转发器的下一转发器收到时再删除。

5.根据权利要求4的以太网(10)，其特征在于，在所述网络中传输的有效载荷数据帧和填充符帧各包括一故障位，而每个转发器都包括把故障位改变到有效状态的装置(17，18)，以便把故障信号发送给相邻转发器并迫使网络改变到降级运行状态。

6.根据权利要求4或5的以太网(10)，其特征在于，每个转发器包括一缓冲存储器，有效载荷数据帧和填充符帧包括一饱和位，而每个转发器i还包括将饱和位改变到有效状态的装置(17，18)，以便将其缓冲存储器的饱和信号发送给相邻转发器。

7.根据权利要求4-6中任一项权利要求的以太网(10)，其特征在于，在设有有效载荷数据帧时，填充符帧在主环路(F1)中循环。

8.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个转发器i包括用来中断该转发器(i)本身所发送有效载荷数据帧的循环的装置(16，19)。

9.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个有效载荷数据帧包括一地址字节，该地址与发送该有效载荷数据帧的转发器(i)的地址相对应，而如果转发器(i)在有效载荷数据帧中识别出有其自己的地址，该有效载荷数据帧的循环就被中断。

10.根据权利要求4-9之一的以太网(10)，其特征在于，每个填充符帧包括一地址字节，该地址对每个填充符帧都是相同的。

11.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个有效载荷数据帧包括一计数器字节，当帧在主环路(F1)中循环，每次该帧通过转发器(i)时该计数器都递增。

12.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个转发器(i)包括清除有效载荷数据帧的装置(16，19)，若帧的计数器字节内容超过所述网络(10)中转发器(i)的总数，该装置(16，19)就将该帧清除。

13.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个转发器(i)包括与其相关的以太网开关(Ci)。

14.根据上述权利要求之一的以太网(10)，其特征在于，每个以太网开关(Ci)在与其相关的转发器(i)之外。

15.根据权利要求5-14之一的以太网，其特征在于，每个数据帧和每个填充符帧的结构要对照标准的以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括所说的故障位。

16.根据权利要求6-15之一的以太网，其特征在于，每个数据帧和每个填充符帧的结构要对照标准的以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括所说的饱和位。

17.根据权利要求9-16之一的以太网，其特征在于，每个数据帧和每个填充符帧的结构要对照标准的以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括所说的地址字节。

18.根据权利要求11-17之一的以太网，其特征在于，每个数据帧和每个填充符帧的结构要对照标准的以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括所说的计数器字节。

19.根据权利要求4-18之一的以太网，其特征在于，每个数据帧和每个填充符帧的结构要对照标准的以太网帧的结构进行修改，以便每个帧的开头包括循环冗余校验(CRC)字节。

20.根据权利要求15-19之一的以太网，其特征在于，每个帧的开头为所说的标准以太网帧的前同步码。

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