EP2721771A2 - Verfahren zur rückwirkungsfreien, redundanten kopplung von kommunikationsnetzen mittels des rapid spanning tree protocols - Google Patents

Abstract

Verfahren, um Netzwerke wie Kommunikationsnetzwerke, insbesondere Ethernet Netzwerke, redundant und rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden, wobei in dem zumindest ein, vorzugsweise mehrere Netzwerksegmente aufweisenden Netzwerk mehrere Netzwerkgeräte, die über Datenleitungen miteinander kommunizieren und Daten austauschen, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Netzwerkgeräten zur Kopplung von Netzwerksegmenten zumindest mehr als eine RSTP-Protokollinstanz implementiert wird, so dass je RSTP-Protokollinstanz ein Netzwerksegment angebunden werden kann.

Description

Verfahren zur rückwirkungsfreien, redundanten Kopplung von Kommunikationsnetzen mittels des Rapid Spanning Tree Protocols

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um Netzwerke, wie Kommunikationsnetzwerke, insbesondere Ethernet-Netzwerke, redundant und rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden, wobei in dem zumindest ein, vorzugsweise mehrere Netzwerksegmente aufweisenden Netzwerk mehrere Netzwerkgeräte, die über Datenleitungen miteinander kommunizieren und Daten austauschen, vorhanden sind, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Bekannt und Stand der Technik sind Mechanismen, die innerhalb eines Ethernet- Netzwerks den Einsatz redundanter Medienverbindungen zulassen. Aufgrund der Rundrufcharakteristik des Ethernets ist in einem solchen Netzwerk nur ein aktiver Pfad von der Kommunikationsquelle zur Kommunikationssenke erlaubt. Zusätzliche Pfade und die damit eingefügten Schleifen in der Netzwerkstruktur führen unweigerlich dazu, das Ethemet-Frames kontinuierlich kreisen und den gesamten Netzwerkverkehr durch Überlast lahmlegen.

Um trotzdem redundante Verbindungen zur Fehlerabsicherung zuzulassen, wurde eine Vielzahl von Protokollen entworfen, die redundante Pfade für die aktive Kommunikation abschalten und nur im Bedarfsfall aktivieren können. Beispielhaft sind hier das im Standard IEEE 802.1 D-2004 definierte Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) und der im Standard IEC 62439-2 definierte Media Redundancy Protocol (MRP) Ring genannt.

BESTÄTIGUNGSKOPIE

Das RSTP kann hierbei beliebig ausgestaltete Netzwerktopologien abdecken, indem es seinen Wirkbereich auf alle Netzwerkgeräte in allen zu koppelnden Netzwerken bzw. Netzsegmenten ausdehnt und so alle vorhandenen Schleifen erkennen kann. Hierbei arbeitet gemäß IEEE 802.1 D-2004 auf jedem Netzwerkgerät eine einzelne Protokollinstanz, alle verteilten Protokollinstanzen sind einem gemeinsamen, logischen RSTP-Netz zugeordnet.

Im Gegenzug bedeutet dies jedoch auch, dass im Falle einer Neukonfiguration der aktiven Netzwerkpfade (Verbindungen zwischen den Netzwerkgeräten über die Datenleitungen), beispielsweise nach Ausfall (z.B. Kabelbruch oder vergleichbares) einer physikalischen aktiven Verbindung, alle miteinander verbundenen Netzwerksegmente von dieser Neukonfiguration betroffen sind, auch wenn der Fehler nur in einem Netzwerksegment auftritt und die anderen Netzwerksegmente nicht betroffen sein müssten. Dies wirkt sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Netzwerks aus.

Die Weiterentwicklung des RSTP, das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP, beschrieben in IEEE 802.1 Q-2005), arbeitet, genau wie RSTP, ebenfalls mit einem gemeinsamen, über alle teilnehmenden Netzwerkgeräte verteilten MSTP-Netz, der Common Internal Spanning Tree (CIST) Instanz. Weiterhin arbeitet auf jedem Netzwerkgerät genau eine MSTP-Protokollinstanz.

Das MSTP erlaubt allerdings das Aufteilen von Netzwerksegmenten in Regionen, die sich gegenüber außerhalb der Region befindlichen Netzwerkgeräten wie ein einzelnes RSTP/MSTP-Gerät verhalten. Die MSTP-Regionen sind allerdings untereinander nicht vollständig rückwirkungsfrei, der Ausfall der sogenannten root bridge der CIST kann sich auf alle MSTP-Regionen und deren Verbindungen zueinander auswirken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Auswirkungen einer Neukonfiguration auf dasjenige Netzwerksegment zu beschränken, in dem dies ein aufgetretener Fehler tatsächlich erforderlich macht.

Die vorliegende Erfindung beschreibt somit ein Verfahren, um Netzwerke, wie Kommunikationsnetzwerke, insbesondere Ethemet-Netzwerke, in vorteilhafter Weise redundant und rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden sowie deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist ein Verfahren zum Einsatz des Rapid Spanning Tree Protocols, um Netzwerksegmente miteinander redundant zu koppeln und gleichzeitig sicherzustellen, dass die gekoppelten Netzwerksegmente gegeneinander rückwirkungsfrei arbeiten.

Zu diesem Zweck wird auf Netzwerkgeräten zur Kopplung von Netzsegmenten mehr als eine Protokollinstanz von RSTP implementiert. Pro RSTP Protokollinstanz kann somit ein Netzwerksegment angebunden werden.

Dies ist ein signifikanter vorteilhafter Schritt, um moderne, hochverfügbare Netzwerke, vorzugsweise Ethernet-Netzwerke, skalierbar und flexibel zu gestalten, ohne dass die Nachteile der Rückwirkung einzelner Redundanzsegmente zueinander diese gekoppelten Netze für den Praxiseinsatz unbrauchbar machen. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit des Netzwerkes deutlich verbessert, da sich Rekonfigurationen sehr schnell durchführen lassen. Ein typischer Fall ist die Implementierung von genau zwei RSTP-Protokollinstanzen in einem Netzwerkgerät, welches die Kopplung von zwei Netzwerken bzw. Netzwerksegmenten miteinander ermöglicht. Das Verfahren ist allerdings nicht auf zwei solcher Instanzen beschränkt, sondern lässt sich auch auf mehr als zwei Instanzen anwenden.

In Figur 1 ist ein solcher Aufbau schematisch für zwei zu koppelnde Netzwerke bzw. Netzwerksegmente durch ein duales RSTP-Gerät, das hier sogenannte Kopplungselement, dargestellt. Das Gerät DuaIRSTP-Single agiert hierbei als Kopplungselement zwischen den beiden Netzwerksegmenten RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring. Die beiden gekoppelten Netzwerke sind hierbei beispielhaft als Ringnetzwerke ausgelegt, das Verfahren ist aber nicht darauf beschränkt. RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring können abhängig voneinander wirkende Netzwerksegmente eines einzigen, physikalischen Netzwerkes sein. RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring können aber auch zwei eigenständige, unabhängig voneinander wirkende Netzwerke sein. Darüber hinaus können auch mehr als zwei RSTP"n"-Segmente („n" > 2)vorhanden und über jeweils ein weiteres Kopplungselement miteinander gekoppelt sein.

Jede der auf dem koppelnden Netzwerkgerät DuaIRSTP-Single (Kopplungselement) implementierten RSTP-Protokollinstanzen werden jeweils die Netzwerkanschlüsse zugeordnet, mit denen das Kopplungsgerät (= Kopplungselement) in das jeweilige Netzwerksegment verbunden ist.

In Figur 1 werden so der Protokollinstanz RSTP1 die Netzwerkanschlüsse in das Netz RSTP1 - primary ring zugeordnet und der Protokollinstanz RSTP2 die Netzwerkanschlüsse in das Netzwerk RSTP2 - secondary ring. Tritt nun ein Fehler im RSTP1 - primary ring auf und bewirkt dieser Fehler eine Neukonfiguration des Netzwerks, so wirkt sich diese Neukonfiguration nur innerhalb des RSTP1 -Netzwerks aus. Innerhalb des Koppelelements duaIRSTP-Single ist ebenfalls nur die Protokollinstanz RSTP1 betroffen. Somit ist sichergestellt, dass beide RSTP-Netzwerke rückwirkungsfrei gekoppelt sind.

Eine weitere Herausforderung, die durch die Erfindung gelöst ist, ist die redundante Kopplung zweier oder mehrerer Netzwerke mittels des beschriebenen Verfahrens. In Figur 1 stellt das Koppelelement duaIRSTP-Single selbst ein einzelnes Fehlerelement dar, bei dessen Ausfall sämtliche Kommunikation zwischen den beiden Netzsegmenten unterbrochen wird. Aufgrund dieser Tatsache kann die Koppeleinrichtung ebenfalls redundant ausgelegt werden, wie in Figur 2 schematisch dargestellt.

Hierbei ist jedoch zu beachten, dass durch die redundante Kopplung der beiden Netzsegmente RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring wiederum eine Netzwerkschleife entsteht. Diese Netzwerkschleife kann nicht durch RSTP selbst aufgelöst werden, da aufgrund der erforderlichen Rückwirkungsfreiheit die RSTP- Instanzen RSTP1 und RSTP2 auf den jeweiligen beiden Kopplungseinheiten duaIRSTP Master und duaIRSTP Slave nicht miteinander verbunden sind und so die Netzwerkschleife nicht erkennen können.

Um die durch die Netzwerkschleife kreisenden Frames zu verhindern, wird durch eine weitere Systemkomponente in den Kopplungselementen Master und Slave sichergestellt, dass stets nur eines der beiden Geräte Frames zwischen den beiden Netzwerksegmenten vermittelt. Die Kopplungsgeräte tauschen untereinander Kontrollnachrichten über die beiden Netzsegmente RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring aus, um den Zustand des jeweils anderen Kopplungselements zu überwachen. Eines der Geräte nimmt den Zustand des Kopplungsmasters ein, alle weiteren Geräte den Zustand eines Kopplungsslaves. Nur der Kopplungsmaster vermittelt Frames zwischen den Netzsegmenten, die Kopplungsslaves blockieren die Vermittlung zwischen den RSTP-Protokollinstanzen. Die Zustände Master bzw. Slave können hierbei von den Kopplungsgeräten sowohl durch manuelle Konfiguration als auch durch einen automatischen Auswahlmechanismus angenommen werden.

Ein Slave muss mit der Vermittlung von Frames zwischen den Netzsegmenten beginnen, wenn die Verbindung zwischen den beiden Netzwerksegmenten durch den Master nicht mehr gewährleistet ist. Dies ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt. In Figur 3, Case 1 besitzt das Gerät SW1 den Masterzustand und SW2 den Slave Zustand. Somit vermittelt SW1 zwischen den Segmenten (angezeigt durch den Doppelpfeil), während SW2 seine Verbindung zwischen den RSTP Instanzen unterbrochen hat (angezeigt durch das Kreuz) um das Kreisen von Frames zu verhindern.

In Figur 3, Case 2 hat das Gerät SW1 aufgrund mehrerer Defekte beide Anschlüsse (PC und PA) in das Netzwerk RSTP1 - primary ring verloren. Somit muss das Gerät SW2 die Verbindung zwischen seinen RSTP-Instanzen aktivieren, um die Verbindung beider Netzwerksegmente weiterhin sicherzustellen. SW2 erhält diese Information von SW1 über die weiterhin funktionierende Verbindung zwischen SW1 und SW2 über das zweite Netzwerksegment RSTP2 - secondary ring.

Fällt das Gerät SW1 vollständig aus, so erkennt das Gerät SW2 durch den vollständigen Ausfall der Kommunikation mit Gerät SW1 , das es selbst die Verbindung zwischen seinen RSTP-Instanzen aktivieren muss.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren, um Netzwerke wie Kommunikationsnetzwerke, insbesondere Ethernet Netzwerke, redundant und rückwirkungsfrei miteinander zu verbinden, wobei in dem zumindest ein, vorzugsweise mehrere Netzwerksegmente aufweisenden Netzwerk mehrere Netzwerkgeräte, die über Datenleitungen miteinander kommunizieren und Daten austauschen, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Netzwerkgeräten zur Kopplung von Netzwerksegmenten zumindest mehr als eine RSTP-Protokollinstanz implementiert wird, so dass je RSTP-Protokollinstanz ein Netzwerksegment angebunden werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder der auf dem koppelnden Netzwerkgerät DuaIRSTP Single implementierten RSTP- Protokollinstanzen jeweils die Netzwerkanschlüsse zugeordnet werden, mit denen das Kopplungsgerät in das jeweilige Netzwerksegment verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn ein Fehler in einem Netzwerksegment (z.B. im RSTP1 - primary ring) auftaucht und dieser eine Neukonfiguration des Netzwerks bewirkt, sich diese Neukonfiguration nur innerhalb dieses Netzwerksegmentes (z.B. innerhalb des RSTP1 -Netzwerks) auswirkt, wobei innerhalb des Koppelelements duaIRSTPSingle ebenfalls nur diese Protokollinstanz (z.B. RSTP1 ) betroffen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass, um die durch eine Netzwerkschleife kreisenden Frames zu verhindern, durch eine weitere Systemkomponente in den Kopplungselementen Master und Slave sichergestellt wird, dass stets nur eines der beiden Geräte Frames zwischen den beiden Netzwerksegmenten vermittelt, wozu die Kopplungsgeräte untereinander Kontrollnachrichten über die beiden Netzsegmente RSTP1 - primary ring und RSTP2 - secondary ring aus tauschen, um den Zustand des jeweils anderen Kopplungselements zu überwachen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustände Master bzw. Slave hierbei von den Kopplungsgeräten durch manuelle Konfiguration und/oder durch einen automatischen Auswahlmechanismus angenommen werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Slave mit der Vermittlung von Frames zwischen den Netzsegmenten beginnen muss, wenn die Verbindung zwischen den beiden Netzwerksegmenten durch den Master nicht mehr gewährleistet ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gekoppelten Netzwerke als Ringnetzwerke betrieben werden.