CN1812300A - 环型网络连接控制方法、路由交换设备及环型网络系统 - Google Patents

环型网络连接控制方法、路由交换设备及环型网络系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种环型网络连接控制方法、路由交换设备以及环型网络系统。在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点(510)。将所选节点的一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态(520)。节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文。当一个节点发现其与一相邻节点之间的连接发生故障(610)时，该节点向所在该环上其它节点发出故障通知消息(620)，且将与故障连接相关的端口置为阻塞状态(630)。响应该故障通知消息，该环上所选节点将其处于阻塞状态的环上端口置为转发状态(640)。本发明的故障检测和恢复均采用分布式处理的方式，可以实现小于50ms倒换。

Description

环型网络连接控制方法、路由交换设备及环型网络系统
技术领域
本发明涉及环型网络，特别涉及环型网络连接控制方法、路由交换设备及环型网络系统。
背景技术
在城域网中传送网主要是采用环网架构，环型网络拓扑在层次化组网、节省线路资源(比如光纤、电缆等)、提供灵活快速的保护、简化组网拓扑和简化网络管理等方面具备格型和星型方式不能完全提供的优点。但是，它必须给数据通道提供快速的故障恢复能力，其中最关键的就是小于50ms(sub50ms)的保护倒换能力。
目前，城域网中的传送网络多采用SDH(同步数字系列)/SONET(同步光网络)和MPLS(多协议标记交换)快速重路由方式提供小于50ms的保护倒换能力，但是存在以下不足：SDH本质上主要是对TDM(时分复用)的传送平台，传送数据时需要采用映射技术将数据封装到SDH/SONET帧结构中去，这就带来了映射开销且成本高昂，同时需要在环上的每一个设备上具有同步时钟能力才能完成同步映射指针调整；基于MPLS保护技术可以提供1+1，1∶1和1∶N的多种保护方式，但是需引入复杂的MPLS信令，可能会导致多厂家设备互连互通的问题。
IEEE和ITU-T提出了弹性分组环(RPR)和多业务环(MSR)来解决环型拓扑的保护倒换问题，RPR/MSR提供了在MAC(媒体访问控制)上实现自动保护倒换(APS)的能力，但由于需要引入新的MAC协议，无法和现有的网络设备兼容而导致成本较高。此外，RPR并未很好地解决跨环问题
目前，以太网(Ethernet)已成为局域网最重要的技术，承载90％以上的接入数据流量。因此，如果能够用以太网上直接组成城域网中的环型传送网络，既可以避免协议之间的转换带来的开销，又可以和现有技术兼容，具有良好的应用前景。但是，以太网本身无法提供完善的运营和维护(OAM)功能，因此必须在以太网上提供快速的保护倒换能力。
为了解决上述问题，IEEE提出采用集中式生成树(STP)算法来避免以太网络中的环路和进行故障恢复。生成树算法要求在n(n＞＝1)个节点中，选取一个为根节点(root node)，然后选择n-1条边，使根节点到n-1条边的代价(cost)和最小。该算法需要采用动态规划或贪心算法，时间复杂度为O(eloge)(其中，e为G(N，A)中边的个数)或O(n2)，因此，当拓扑发生改变时，STP需要重新计算的时间较长。在网络节点数较多时，生成树需要30到60秒来发现变化并重新配置。
为了解决生成树恢复时间过长的问题，IEEE提出了快速生成树(RSTP)对STP进行了改进。快速生成树和生成树相比，增加了备份端口和替代端口两个状态，能够将在连接故障和恢复时所需的重新配置和恢复服务时间，减少到秒的量级，并保持同基于STP设备的兼容性。但是，其需要的时间仍然在秒级，无法做到50ms倒换。
Extreme的公司以太网自动倒换保护(EAPS)技术采用了分布式的思想，针对每个域进行操作，在每个域中配置控制VLAN(虚拟局域网)来进行故障检测，大大降低了故障检测时间。但EAPS仍存在以下不足：首先，EAPS中必须配置一个控制VLAN，该VLAN中在每个域中构成了环路，因此，该VLAN的流量可能会导致Ethernet的环路；其次，在EAPS中，所有的故障检测仍采用集中式方式，均由主站完成，因此可能导致扩展性问题，当环上节点增加时的故障检测时间会相应增长，且无法定位具体故障点。
LSOM(城域网上的链路状态协议)是一种基于链路状态的路由协议，它可以用于各种复杂的网络拓扑。但它的使用同样有一定局限性：首先，它主要是适用于城域网的核心网络中，尤其是基于10GE(千兆)的网络；其次，它要求连接的设备为边缘路由器，以隔绝广播域；此外，当网络上节点较多时，基于链路状态的算法计算所需时间长且扩展性较差。
此外，以上四种方式均需要引入相关的控制信令，而在控制信令中缺少对安全性的考虑。因此，当网络中的恶意攻击将会导致拓扑出错并可能会导致节点崩溃。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以有效地实现50ms的快速自动保护倒换的环型网络连接控制方法、路由交换设备以及环型网络系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种环型网络连接控制方法，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接。该方法包括：在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点；以及将所选节点的一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。
优选地，节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文，该方法还包括：每个节点定期检查其与各相邻节点之间的连接状态；当一个节点发现其与一相邻节点之间的连接发生故障时，该节点向所在该环上其它节点发出故障通知消息，且将与故障连接相关的端口置为阻塞状态；以及响应该故障通知消息，该环上所选节点将其处于阻塞状态的环上端口置为转发状态。
优选地，该方法还包括：给每个环指定一个环标识符；在协议报文中添加发出该协议报文的节点所在环的环标识符，其中，当该协议报文与故障相关时，如果与故障连接相关的两个节点都属于相同的多个环，则所添加的环标识符为根据预定的规则而从这多个环的环标识符中选择的一个，如果与故障连接相关的两个节点中不属于同两个环，则所添加的环标识符为包括这两个节点的那个环的环标识符；以及各节点收到协议报文后，判断协议报文中的环标识符与该节点本身的环标识符是否相同，并且仅在两个环标识符相同的情况下，对该协议报文进行响应。
根据本发明的另一个方面，提供了一种环型网络上的路由交换设备，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接。该路由交换设备包括：拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息，使其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。
根据本发明的另一个方面，提供了一种环型网络上的路由交换设备，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接，所述路由交换设备在只属于一个环的节点上。该路由交换设备包括：端口状态设置装置，用于响应环上唯一地指定该路由交换设备的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
根据本发明的另一个方面，提供了一种环型网络系统，包括至少两个互相连通的环，每个环中至少有三个节点，每个节点分别属于一个或多个环，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接。该系统包括：拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息。每个节点包括：端口状态设置装置，用于响应所述拓扑管理装置发给该节点的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
本发明的方法是一种基于以太环网的快速倒换和恢复的算法，它采用了一种分布式的实现方式，降低了故障恢复的时间复杂度，还引入了安全鉴别部分，提高了协议的安全性。
和传统技术相比，本发明具有以下优点：
1)故障恢复时间短。本发明能够提供50ms以内的自动保护倒换，可以在极短的时间内完成故障的检测和恢复过程，可以实现对实时业务(话音或视频)的良好支持。
2)开销小。本发明采用了分布式而不是集中式的实现方法，将以太环网划分为多个域。此外，相邻节点之间通过维护数据包来进行故障检测，避免了集中式方式下中心节点开销过大的情况。
3)可扩展性好。本发明利用了以太网自身的机制，不需要引入复杂的控制信令(如MPLS)，也不需要更改现有设备的硬件和三层及三层以上软件结构，可以应用于现有的以太网交换和路由设备中。
4)具有安全性。本发明引入了安全鉴别功能，在接收数据包需进行身份鉴别，增强了安全性，可以防止恶意攻击。
附图说明
图1是图解保护倒换和恢复过程的示意方框图；
图2图解了以太环网典型拓扑；
图3图解了LDEPA算法的模块化体系结构；
图4是LDEPA协议的数据报文的示意帧结构；
图5是根据本发明实施例的环型网络连接控制方法中，为防止环型网络中形成回路而执行的操作步骤的流程图；
图6是当在按图5所示方法配置的环型网络中发生连接故障时，进行保护倒换的操作的流程图；
图7是在故障恢复之后进行的操作的流程图；
图8是根据本发明的实施例的环型网络中作为主站(指定节点)的路由交换设备的示意方框图；
图9是本发明的实施例的环型网络中一般节点上的路由交换设备的示意方框图；
图10是根据本发明的实施例的环型网络系统的示意方框图；
图11是可以实施本发明的LDEPA算法的设备R8000的逻辑视图；
图12图解了LDEPA在协议栈中的位置；以及
图13图解了LDEPA的实现。
具体实施方式
以太环网保护倒换模型
在进行模型分析之前，本发明首先进行以下定义：
G(N，A)：一个有N个节点和A条链路的无向图网络；
i，j，k，l：代表网络中的各个节点。而每条链路由它们的两端节点进行表示，如link(i，j)；
P(i，j)：代表网络中两个节点之间的路径；
PA(i，j)：代表网络中两个节点之间正在使用的(Active)路径；
PB(i，j)：代表网络中两个节点之间备用的(Backup)路径。
需要指出的是，以太网上必须避免环路，否则会导致广播风暴。因此，以太环网保护倒换模型定义如下：存在一个G(N，A)的网络，它满足以下条件：
1.N个节点可以分为K组，每一组中的节点属于一个或多个域，其中，属于多个域的节点，我们称之为相切点；
2.每个域中除了相切点外，其他节点均只和最近的两个节点相连接；
3.任意两点之间具有路径P(i，j)，且不存在回路(Acyclic)。
该网络需要具备以下功能：
1.在G(N，A)任意一点或多点故障时，能够实现路径保护且没有回路，流量能够从PA(i，j)倒换到PB(i，j)；
2.当故障恢复后，流量从PB(i，j)恢复到PA(i，j)。
本发明所关心的是当G(N，A)中某一个或多个节点出现故障时，能够使其他节点在最短的时间内(小于50ms)切换到备用路径，且整个网络中不出现回路。
如上图1，整个保护和倒换过程包括：故障检测(Fault Detection)、告警处理、保护(Protection)和恢复(Restoration)算法处理、流量的重定向和用户通告，因此整个时间包括以下部分：
TFD：代表网络中一个或多个节点出现故障时的故障检测时间，将检测到的故障信息发送到相关节点；
TPR：定位故障，进行保护和恢复，网络流量重定向且没有环路
TWTR：故障修复后将网络状态转换为正常态，即恢复到初始的连接状态
如果要求满足小于50ms的倒换，TFD和TPR之和必须小于50ms。所以，保护倒换时间主要取决于故障检测时间及保护和恢复时间。
轻量级分布式以太环保护算法(LDEPA)
环上避免回路的方法
由上述内容可知若要实现小于50ms的保护倒换，本发明必须同时考虑降低故障检测时间和保护恢复时间。因此，本发明采用了轻量级分布式以太环保护算法(LDEPA，Lightweight Distributed Ethernet Protection Algorithm)，该算法的故障的定位和恢复均采用分布式处理，具有较低算法的时间和空间复杂度。在介绍该算法之前，我们首先引入以下定理。
定理1：由K(K＞＝1)个环组成的无向图G(N，A)中，如果每一个环上有一个非相切节点的一个方向断开，则无向图中任意两点之间不存在回路。
证明：已知定理：无向图的深度优先遍历(DFS)过程中遇到回边(即指向访问过顶点的边)是存在环的充分必要条件。因此，判断无向图是否存在回路，只需要证明无向图的DFS中不会访问到回边，即可证明其没有环。
在由N个相切环组成的无向图中，环上任意节点在同一个环上只和最近的两节点连接。因此，如果每一个环上有一个非相切节点的一个方向断开，则图中任意节点只能在以任意节点为源节点的DFS中单向可达，不可能从另外一个方向访问，因此，不会访问到回边，也就不存在环。证毕。
轻量级分布以太网保护算法-LDEPA
由以上定理可知，本发明只需保证任何时候G(N，A)的K个环中，每个环中均有一个非相切节点有一个方向断开，即可在整个无向图中避免环路。利用这一特性，LDEPA避免了复杂的生成树算法，而是采用每个环中独立进行环路避免的方法。此外，和EAPS不同，LDEPA中的故障检测采用了每个节点自主进行检测和恢复的方式。算法的基本过程如下：
1)每个环指定一个环ID(标识符)。
2)每个环自主选择或通过网管配置一个非相切节点作为指定(designated)节点。
3)指定节点将该环一个节点的一个环上端口(即该节点在这里所涉及的环上的端口)置为阻塞(block)状态，而将其它节点的环上端口置为转发(forward)状态；处于阻塞状态的端口只处理LDEPA协议报文，而丢弃其它数据和控制报文。
4)环上节点之间通过KeepAlive(保持活动)包(时间间隔和超时时间可配置)可以知道其邻居，并在两两之间维持该数据包。一旦发现故障(超时或有硬件中断)，发现故障的节点向所在环上的正常侧通告该故障消息，且将与故障段相联的端口置为阻塞状态。
5)环上的其它节点收到故障通告消息后，清空(flush)转发地址表；如果该节点有环上阻塞端口，则将该端口置为转发状态。
6)故障恢复后，发现故障恢复的节点首先通过等待恢复(WTR，wait-to-restore)时间来确认恢复，然后向环的两边通告故障恢复消息，并将与故障段相联的端口保持阻塞状态。
该算法的核心就是保证任意时刻，每个环在无故障段的情况下有且仅有一个非相切节点的一个环上端口阻塞；发生故障时，如果故障段是位于非相切点和其它节点之间，相关节点将原来阻塞的端口置为转发状态；但如果是相切节点之间的链路出现故障，相关节点如直接将阻塞端口置为转发状态，可能会导致环路。如上图2中，a为环1的指定节点，a将其连接d的端口置为阻塞；h为环2的指定节点，h将连接i的端口置为阻塞；如果link(c，i)出现故障，c或i会将故障上报给两个环的指定节点g和a。如果指定节点均将阻塞端口置为转发状态，则环1和环2成为一个逻辑上的环，形成回路。
为了避免这种情况发生，本发明在LDEPA中做以下处理，协议报文头部需携带该节点所属环ID，相切节点发出的故障通告消息(FDN)和故障恢复消息(FRN)中所携带的环ID为同时包括该节点和该故障段另一端的节点的多个环的环ID中值最小的那个。出现故障后，各节点收到故障通告消息后，判断自己所属的环ID和报文中环ID是否相同，如相同，依算法要求执行相关操作否则不处理该报文。这样就可以保证对相切节点故障的处理中产生的新环仍然有且仅有一个非相切节点的一个环上端口阻塞，不会产生回路。
此外，为了防止恶意攻击，LDEPA中要求对发送和接收的数据包进行身份鉴别。如果接收时出现身份鉴别失败，该数据包将被丢弃。身份鉴别的方法可以采用简单密码或MD5方式。
复杂度分析
对指定节点来说，它需要维护所在环的全局拓扑，接收环上节点的故障信息，并做相应处理，其时间复杂度和空间复杂度均为O(n)；而对非指定节点而言，它只需要向相邻节点定期检查，在故障时向指定节点进行告警，时间复杂度和空间复杂度均为O(1)。
LDEPA算法的实现
实现模块结构
在本发明中，LDEPA算法由多个模块实现，其模块组成结构如图3所示。实现方式采用模块化方式，包括协议包处理模块、邻接关系模块、拓扑管理模块和配置模块。各模块的介绍具体见下。
I.邻接关系模块
邻接模块主要目的是建立和维护邻居关系，也保证了在邻居间的通信是双向的，同时也负责检测链路/站点故障和故障恢复。系统启动后，KeepAlive报文定期从环上端口向特定单播地址发到环上。节点在初始化后或发生故障后，如果收到邻居的KeepAlive报文，则启动WTR定时。若WTR定时器超时后仍然可以稳定收到同一邻居发出的KeepAlive帧，则认为该邻居正常。
LDEPA中在该模块中使用三个定时器，其中KeepAlive定时器用来周期性地向邻居节点发送KeepAlive报文；而HoldTimer定时器是用于判断邻接关系是否失效，一旦HoldTimer定时器超时，则说明与邻居之间的邻接关系出现了故障；WTR(Wait-To-Restore，等待恢复)定时器用于判断邻接关系的稳定建立。KeepAlive和HoldTimer定时器的缺省值分别为10ms和30ms，WTR的缺省值为5s，它们均可由网管配置。
II.协议报文处理模块
协议报文处理模块，负责发送和接收各种类型的LDEPA协议报文。协议包处理模块还需要完成对收发的协议数据的安全鉴别功能，对收到的报文如果安全鉴别失败，则应将该报文丢弃。
LDEPA协议的数据报文承载在标准的以太网帧净荷中。其帧格式可以采用如图4所示的结构
以太网类型：2字节；此处为LDEAP的以太网协议类型，缺省为0x1E2C。
版本：1字节；协议版本号，缺省为0x1。
帧类型：1字节；LDEPA协议报文类型。LDEPA定义了5种类型的报文，描述如下。
1)KeepAlive——用于建立和维护相邻站点间的邻接关系，该报文是周期性地发送的；
2)SIN——站点信息通告报文，用于进行拓扑发现、故障定位和信息通告；各从站在系统状态变化或收到FDN/FRN报文后都会触发SIN帧的发送；指定站点收到从站的SIN报文后，更新拓扑数据库信息，并回应SIN RESPONSE报文；
3)SIN RESPONSE——站点信息响应报文，由指定站点发出，用于响应其它站点的SIN报文，并对该站点的端口状态进行配置；
4)FDN——故障检测通告报文，站点检测到故障后，发送到环上，以洪泛的方式通告其它站点；各站收到该帧后，清空(flush)转发地址表，并发送SIN帧；
5)FRN——故障恢复通告报文，故障站点确认故障恢复后，发送到环上，以洪泛的方式通告其它站点；各站收到该报文后，发送SIN报文
帧长度：2字节；整个数据包的长度。
校验和：2字节；16位CRC(循环冗余检验)校验位。
环ID：2字节；标识该站所属的环ID。当节点属于多个环时，环ID为其所属环中最小的ID。
验证类型：2字节；定义LDEPA协议报文的验证类型；LDEPA支持无验证、简单密码验证和MD5验证。
验证信息：8字节；包含LDEPA验证信息。
III.拓扑管理模块
该模块运行在环上的指定节点，主要用于系统监控和管理。它维护一个全环的拓扑数据库，利用站点信息通告报文(SIN)中携带的信息，可以快速的响应拓扑的变化，并定位故障位置。另外，指定站点还可以根据当前全局拓扑信息，对于环上的阻塞站点进行选择和配置。
IV.配置模块
该模块提供和网管的接口，实现以下配置功能：站点配置、环的属性配置、接口的配置和邻居的配置。
本发明的环型网络连接控制方法、交换路由设备和环型网络系统
下面参考附图5-10，进一步描述根据本发明实施例的环型网络连接控制方法和设备。
所述环型网络可以是以太网，其中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接。
图5是根据本发明实施例的环型网络连接控制方法中，为防止环型网络中形成回路而执行的操作步骤的流程图。图6是当在按图5所示方法配置的环型网络中发生连接故障时，进行保护倒换的操作的流程图。图7是在故障恢复之后进行的操作的流程图。
如图5所示，在步骤510中，在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点。在步骤520，将所选节点的一个环上端口置为阻塞状态，而将所选节点的另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。这样，每个环上有一个仅属于这一个环的节点(非相切节点)的一个方向断开，根据前述定理，保证了该环型网络中任意两节点之间没有回路，实现了路径保护。
如上所述，处于阻塞状态的端口只处理协议报文，而节点间的各种消息正是以协议报文方式发送的。
每个节点定期检查其与各相邻节点之间的连接状态。如图6所示，当一个节点发现其与一相邻节点之间的连接发生故障(步骤610)时，在步骤620，该节点向其所在环上其它节点发出故障通知消息，并且在步骤630将与故障连接相关的端口置为阻塞状态。应该理解，步骤620和630的执行顺序可以任意调整。在步骤640，响应该故障通知消息，该环上所选节点将其已预先置为阻塞状态的环上端口置为转发状态。环上除发现故障的节点之外的节点在收到故障通知消息后，清空转发地址表。从而在实现了路径倒换，同时也不会产生回路。
如图7，当在步骤710发现故障恢复后，可选地，在步骤720，通过等待恢复时间来确认故障恢复。在确认故障已恢复之后，在步骤730，向该环上其它节点发送故障恢复消息，并使与故障连接相关的端口保持阻塞状态。
还可以执行以下步骤(附图中未示出)。给每个环指定一个环ID。在协议报文中添加发出该协议报文的节点所在环的环ID。当该协议报文与故障相关时，如果与故障连接相关的两个节点都属于相同的多个环，则所添加的环ID为根据预定的规则而从这多个环的环ID中选择的一个，例如都选择其中最小的一个，或者都选择其中最大的一个。如果与故障连接相关的两个节点中不属于同两个环，则所添加的环ID为包括这两个节点的那个环的环ID。各节点收到协议报文后，判断协议报文中的环ID与该节点本身的环ID是否相同，并且仅在两个环ID相同的情况下，对该协议报文进行响应。
这样，即使是在两个环之间的两个相切节点之间的连接发生故障时，由于不会同时使两个环中原来置为阻塞状态的端口都置为转发状态，所以避免了由这两个环形成一个逻辑上的环，不会产生回路。
图8是根据本发明的实施例的环型网络中作为主站(指定节点)的路由交换设备的示意方框图。图9是本发明的实施例的环型网络中一般节点上的路由交换设备的示意方框图。图10是根据本发明的实施例的环型网络系统的示意方框图。在下面的说明中，将省略对路由交换设备以及环型网络系统中包含的为实现其一般功能而必备的装置的描述。
作为主站，如图8所示，该路由交换设备具有拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息(命令将一端口设置为阻塞状态的消息)，将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。该路由交换设备选择的节点可以是该路由交换设备所在节点本身，也可以是该环上其它节点。
该路由交换设备还具有连接倒换装置，当该路由交换设备收到环上一连接发生故障的通知消息时，向环上所选节点发送恢复消息，使其处于阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
如上所述，处于阻塞状态的端口只处理协议报文，而节点间的各种消息正是以协议报文方式发送的，并且该环型网络可以是以太环网。该路由交换设备还可以具有成帧器，用于将所述协议报文封装在以太网数据包中，以便被发送到该环上其它节点，所述协议报文至少包括协议报文类型、环ID。
如图9所示，环型网络中一般节点上的路由交换设备具有端口状态设置装置，用于响应环上唯一地指定该路由交换设备的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
该路由交换设备还具有端口状态恢复装置，用于响应有关环上出现连接故障的通知消息，而将所述置为阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
事实上，图8所示的路由交换设备也可以具有图9中示出的端口状态设置装置和端口状态恢复装置，根据其自身具有的或其它节点上的拓扑管理装置和连接倒换装置发出的置阻消息和恢复消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态和恢复为转发状态。
下面参考图10，描述根据本发明的实施例的环型网络系统。图10的右侧部分示意性地示出了一个节点的组成。该环型网络系统包括至少两个互相连通的环，每个环中至少有三个节点，每个节点分别属于一个或多个环，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接。
如图10所示，该系统中有拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息。相应地，每个节点上有端口状态设置装置，用于响应所述拓扑管理装置发给该节点的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
该系统中每个节点上还具有邻接关系检测装置，检测其与相邻节点之间的连接状态，当检测到其与相邻节点之间的连接上出现故障时，向该环上其它节点发出故障通知消息，并将其与该故障连接相关的端口置为阻塞状态。
该系统中还有连接倒换装置，当收到故障通知消息时，向所述拓扑管理装置所选择的节点发送恢复消息，相应地，每个节点上还有端口状态恢复装置，当该节点上一个端口被预先置为阻塞状态时，响应所述连接倒换装置发给该节点的恢复消息，而将已置为阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
该系统中每个节点上还可以有故障恢复处理装置，在该节点与相邻节点之间的连接因故障而断开的情况下，当检测到与其相关的连接上的故障恢复时，该故障恢复处理装置向该环上其它节点发送故障恢复消息，并使与故障连接相关的端口保持阻塞状态。
该系统中每个节点上具有成帧器，用于将用于发送各种消息的协议报文封装在以太网数据包中，以便被发送到该环上其它节点，所述协议报文至少包括协议报文类型、环ID。
特别地，该系统中属于多个环的节点还具有环ID比较装置(图上未示出)，用于判断所收到的协议报文中的环ID与该节点本身的环ID是否相同，并且仅在两个环ID相同的情况下，对该协议报文进行响应。
该系统中属于多个环的节点还具有环ID确定装置(图上未示出)，用于当该节点和另一个与其同属于相同的多个环的节点之间的连接出现故障时，根据预定的规则而从这多个环的环ID中选择一个，例如选择最大的一个，或选择最小的一个。
图10中没有具体表示拓扑管理装置和连接倒换装置所处的位置。事实上，它们可以在环上专门的装置中，也可以在环上指定节点(或者说网管所操作的节点)中。
或者，也可以在环上每一个节点中都配备上面提到的拓扑管理装置、连接倒换装置、端口状态设置装置、端口状态恢复装置、邻接关系检测装置、故障恢复处理装置、成帧器、环ID比较装置以及环ID确定装置。只是根据网关的配置来决定哪个节点作为主站，哪个节点作为从站。
本发明的应用实例
下面描述本发明在设备上的应用实例，即在武汉烽火网络有限责任公司的R8000上的具体应用。武汉烽火网络有限公司研制的R8000是定位于城域网汇聚层和主干层的路由交换设备，它支持多种接口种类和具有灵活的业务生成能力。当R8000定位于城域网汇聚层的网络设备时，它主要完成对城域网中接入层上联链路的汇接(Metro Aggregation)，在用户侧能够接入FastEthernet(快速以太网)、Gigabit Ethernet(千兆以太网)和低速ATM(异步传输模式)等信号，并提供智能业务生成(Service Creation)功能，为运营商提供各种增值功能，而在网络层通过GE或POS(SDH上的分组)和城域网主干层设备相连。此外，R8000也可以通过POS接口和SDH本地环连接，或者通过GE组成环形或星形网络，组成城域网的主干，并通过OC-48POS和主干网设备相连。
从组网的需求来看，R8000上需要实现RIP(路由信息协议)和OSPF(开放最短路径协议)等域内协议和BGP-4(边界网关协议-4)等域间协议，在链路层支持PPP(点对点协议)、Ethernet、LAPS(链路存取协议-SDH)和HDLC(同步数据链路控制)等协议。从应用的角度来说，R8000能够提供实现单播、组播和MPLS转发，并提供NAT(网络地址转换)、Firewall(防火墙)、VPN(虚拟个人网络)、Virtual Router(虚拟路由器)和移动IP(网际协议)等应用。此外，考虑到目前国内接入层的组网方式，R8000上该能够提供二层应用(VLAN)的支持。作为提供给运营商的增值功能，R8000目前可以提供基于端口和PPPoE Session(以太网点对点会话)的带宽限制和QoS(服务质量)保证。从对用户的管理角度来说，R8000目前可以提供基于PPPoE的认证方式，并能通过Radius来实现对用户流量的计费。此外，还支持VLAN+IP+MAC的三级绑定和Web(网络)认证。
R8000的机架采用工业标准的19英寸机箱，盘位间距25.4mm，总共16个槽位，其中主控CPU和交换盘占用7号和8号槽位，为1+1的备份，而剩余14个槽位提供给线卡使用，线卡为9U。
下图11显示出本发明的实施例的逻辑视图。图中，实线箭头代表高速数据总线，虚线箭头代表高速控制总线。其中，高速的数据总线提供的大容量的数据通道，而控制总线中提供了管理消息的通道，并提供了监控硬件状态的Health#、Present#和Alarm#等信号。整个系统采用3∶1的风扇备份和1∶1的电源备份，提供了硬件的高可用性冗余支持。
此外，R8000采用了控制和转发分离的体系结构，其中控制和管理功能运行在主控CPU上路由引擎采用了1+1的保护备份。而线路接口卡1、2、……、13、14采用双网络处理器架构，实现高速的分布式转发和数据平面的操作。R8000的路由引擎上的主控CPU采用Motorola公司的PowerPC7410，主频为450MHZ，带有1Mbytes的二级缓存。本发明的实施将LDEPA运行在主控CPU上。本发明的实施例采用了发明内容中定义的帧结构，LDEPA以任务的方式运行，位置在以太网网的链路层以上，网络层协议之下，其具体位置如图12所示。
在实施例中，LDEPA算法由多个模块实现，其模块组成结构如图3所示。实现方式采用模块化设计方式，包括PDU处理模块、邻接关系模块、拓扑数据库和网络管理(NM)模块。各模块的逻辑关系和具体实现如图13所示。
一.邻接关系模块
邻接模块主要目的是建立和维护邻居关系，也保证了在邻居间的通信是双向的，同时也负责检测链路/站点故障和故障恢复。R8000启动后，LDEPA任务定期将KeepAlive报文从环上端口向特定单播地址发到环上。节点在初始化后或发生故障后，如果收到邻居的R8000f发出的KeepAlive报文，则启动WTR定时。若WTR定时器超时后仍然可以稳定收到同一邻居发出的KeepAlive帧，则认为该邻居正常。
二.PDU处理模块
PDU处理模块主要完成协议报文处理功能，负责发送和接收各种类型的LDEPA协议报文。PDU处理模块还需要完成对收发的协议数据的安全鉴别功能，对收到的报文如果安全鉴别失败，则应将该报文丢弃。具体处理流程和上文的协议报文处理模块的描述相同。
三.网管模块
该模块提供和网管的接口，可以和R8000平台中的CLI(命令行接口)、SNMP(简单网络管理协议)和Telnet(远程通信网)等模块进行接口，实现以下配置功能：站点配置、环的属性配置、接口的配置和邻居的配置。
四.拓扑数据库模块
该模块运行在环上的指定节点，主要用于系统监控和管理。它维护一个全环的拓扑数据库，利用站点信息通告报文(SIN)中携带的信息，可以快速的响应拓扑的变化，并定位故障位置。另外，指定站点还可以根据当前全局拓扑信息，对于环上的阻塞站点进行选择和配置。
五.定时器
LDEPA的具体实现使用了三个定时器，其中KeepAlive定时器用来周期性地向邻居节点发送KeepAlive报文；而HoldTimer定时器是用于判断邻接关系是否失效，一旦HoldTimer定时器超时，则说明与邻居之间的邻接关系出现了故障；WTR(Wait-To-Restore)定时器用于判断邻接关系的稳定建立。KeepAlive和HoldTimer定时器的缺省值分别为10ms和30ms，WTR的缺省值为5s，它们均为网管可配置。
六.嵌入式实时操作系统
实施例采用的嵌入式操作系统为WindRiver公司的VxWorks高性能实时操作系统，它主要为LDEPA协议模块提供所需的操作系统底层调用，包括任务的创建、删除和调度、内存的分配和释放和任务间通信必须的机制。
对LDEPA进行的相关测试表明R8000设备能够实现单环、跨环、相切环和相交环等多种拓扑下的50ms倒换，且CPU的利用率小于5％，上层的路由协议和MPLS信令运行正常。这充分说明本发明是完全可行且具有较小的开销。
结论
目前在世界上的数据和通信网络中，以太网承载了90％以上的接入数据流量，但由于不能提供小于50ms的路径保护和故障恢复机制，无法用于城域环形传送网络中。本发明分析了以太环网保护倒换模型，提出了一种快速的自动保护倒换方法。该方法基于轻量级分布以太网保护算法LDEPA。该算法的故障检测和恢复均采用分布式处理的方式，可以实现小于50ms倒换。
本发明实现了一种用于以太环网(Ethernet Ring)上的快速自动保护倒换(APS)的方法。该方法不同于现有的生成树算法和以太网保护技术，采用一种轻量级的分布式路径保护和恢复算法，能够在50ms内实现保护倒换且避免形成环路，具有较好的可扩展性且开销较小。本发明与上层应用协议无关，利用以太网本身的机制实现了快速的自动保护倒换，并引入了安全鉴别机制，适合多种应用环境，在现有以太网交换芯片、以太网成帧器及PHY(物理层)芯片、以及三层以上所有软件不作任何改动的情况下，能够用于二层到七层以太网交换设备和具有以太网接口的路由器组环。本发明在不影响现有设备的硬件体系结构前提下，缩短了以太网上故障检测和自动恢复的时间，大大提高了以太网设备组成环网的自愈能力，同时具有实时业务上、下分插能力，具有良好的应用前景。
由于具有前面提到的各种优点，本发明在改进以太网交换路由设备和提高以太网的可用性基可维护性上具有良好的应用前景。
尽管参考本发明的优选实施例具体展示和描述了本发明，但是本领域一般技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种修改。

Claims (24)

1.一种环型网络连接控制方法，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接，该方法包括：
在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点；以及
将所选节点的一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。
2.如权利要求1所述的环型网络连接控制方法，其中，节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文，该方法还包括：
每个节点定期检查其与各相邻节点之间的连接状态；
当一个节点发现其与一相邻节点之间的连接发生故障时，该节点向其所在环上其它节点发出故障通知消息，且将与故障连接相关的端口置为阻塞状态；以及
响应该故障通知消息，该环上所选节点将其处于阻塞状态的环上端口置为转发状态。
3.如权利要求2所述的环型网络连接控制方法，还包括：
环上除发现故障的节点之外的节点在收到故障通知消息后，清空转发地址表。
4.如权利要求2所述的环型网络连接控制方法，该方法还包括：
故障恢复后，向该环上其它节点发送故障恢复消息，并使与故障连接相关的端口保持阻塞状态。
5.如权利要求4所述的环型网络连接控制方法，还包括：在发送故障恢复消息之前，通过等待恢复时间来确认恢复。
6.如权利要求2或4所述的环型网络连接控制方法，还包括：
给每个环指定一个环标识符；
在协议报文中添加发出该协议报文的节点所在环的环标识符，其中，当该协议报文与故障相关时，如果与故障连接相关的两个节点都属于相同的多个环，则所添加的环标识符为根据预定的规则而从这多个环的环标识符中选择的一个，如果与故障连接相关的两个节点中不属于同两个环，则所添加的环标识符为包括这两个节点的那个环的环标识符；以及
各节点收到协议报文后，判断协议报文中的环标识符与该节点本身的环标识符是否相同，并且仅在两个环标识符相同的情况下，对该协议报文进行响应。
7.如权利要求6所述的环型网络连接控制方法，其中所述预定的规则为选择多个环标识符中最小的一个。
8.如权利要求6所述的环型网络连接控制方法，其中所述预定的规则为选择多个环标识符中最大的一个。
9.如权利要求2或4所述的环型网络连接控制方法，其中协议报文包括：
目的MAC地址、源MAC地址、网络类型、协议版本号、协议报文类型、帧长度、校验和、环标识符、验证类型、验证信息以及协议净荷。
10.如权利要求9所述的环型网络连接控制方法，其中协议报文类型包括：
keepAlive——用于建立和维护相邻站点间的邻接关系，该报文是周期性地发送的；
SIN——站点信息通告报文，用于进行拓扑发现、故障定位和信息通告；各从站在系统状态变化或收到FDN/FRN报文后都会触发SIN帧的发送；指定站点收到从站的SIN报文后，更新拓扑数据库信息，并回应SIN_RESPONSE报文；
SIN_RESPONSE——站点信息响应报文，由指定站点发出，用于响应其它站点的SIN报文，并对该站点的端口状态进行配置；
FDN——故障检测通告报文，站点检测到故障后，发送到环上，以洪泛的方式通告其它站点；各站收到该帧后，清空转发地址表，并发送SIN帧；以及
FRN——故障恢复通告报文，故障站点确认故障恢复后，发送到环上，以洪泛的方式通告其它站点；各站收到该报文后，发送SIN报文。
11.如权利要求1所述的环型网络连接控制方法，其中，所述环型网络为以太环网。
12.如权利要求11所述的环型网络连接控制方法，其中，所述协议报文承载在标准的以太网帧净荷中。
13.如权利要求1所述的环型网络连接控制方法，还包括对发送和接收的数据包进行身份鉴别，如果接收时出现身份鉴别失败，则丢弃该数据包。
14.一种环型网络上的路由交换设备，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接，该路由交换设备包括：
拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息，将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口和其它节点的环上端口置为转发状态。
15.如权利要求14所述的路由交换设备，其中，节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文，还包括：
连接倒换装置，当该路由交换设备收到环上一连接发生故障的通知消息时，向环上所选节点发送恢复消息，使其处于阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
16.如权利要15所述的路由交换设备，其中，该环型网络为以太环网，该路由交换设备还包括：
成帧器，用于将所述协议报文封装在以太网数据包中，以便被发送到该环上其它节点，所述协议报文至少包括协议报文类型、环标识符。
17.一种环型网络上的路由交换设备，所述环型网络中的多个节点分别属于一个或多个环，其中，每个环中有至少三个节点，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接，所述路由交换设备在只属于一个环的节点上，该路由交换设备包括：
端口状态设置装置，用于响应环上唯一地指定该路由交换设备的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
18.如权利要求17所述的路由交换设备，其中，节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文，还包括：
端口状态恢复装置，用于响应有关环上出现连接故障的通知消息，而将所述置为阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
19.一种环型网络系统，包括至少两个互相连通的环，每个环中至少有三个节点，每个节点分别属于一个或多个环，只属于一个环的节点只与最近的两个节点相连接，属于多个环的节点在其所属的每个环中都与两个节点相连接，该系统包括：
拓扑管理装置，用于在每个环上选择一个仅属于这一个环的节点，并向所选节点发送置阻消息，
其中，每个节点包括：
端口状态设置装置，用于响应所述拓扑管理装置发给该节点的置阻消息，而将其一个环上端口置为阻塞状态，而将其另一个环上端口置为转发状态。
20.如权利要求19所述的环型网络系统，其中，节点间的各种消息以协议报文方式发送，而处于阻塞状态的端口只处理协议报文，每个节点还包括：
邻接关系检测装置，检测其与相邻节点之间的连接状态，当检测到其与相邻节点之间的连接上出现故障时，向该环上其它节点发出故障通知消息，并将其与该故障连接相关的端口置为阻塞状态。
21.如权利要求20所述的环型网络系统，其中，该系统还包括：
连接倒换装置，当收到故障通知消息时，向所述拓扑管理装置所选择的节点发送恢复消息，
其中，每个节点还包括：
端口状态恢复装置，用于响应所述连接倒换装置发给该节点的恢复消息，而将已置为阻塞状态的环上端口恢复为转发状态。
22.如权利要求21所述的环型网络系统，其中，每个节点包括：
故障恢复处理装置，当检测到与其相关的连接上的故障恢复时，向该环上其它节点发送故障恢复消息，并使与故障连接相关的端口保持阻塞状态。
23.如权利要求20-22中任何一项所述的环型网络系统，其中，每个节点包括：成帧器，用于将所述协议报文封装在以太网数据包中，以便被发送到该环上其它节点，所述协议报文至少包括协议报文类型、环标识符，
并且其中，属于多个环的节点还包括：环标识符比较装置，用于判断所收到的协议报文中的环标识符与该节点本身的环标识符是否相同，并且仅在两个环标识符相同的情况下，对该协议报文进行响应。
24.如权利要求23所述的环型网络系统，其中，属于多个环的节点还包括：
环标识符确定装置，用于当该节点和另一个与其同属于相同的多个环的节点之间的连接出现故障时，根据预定的规则而从这多个环的环标识符中选择一个。
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