TWI395433B - 具有延展性之網路系統及其備援方法 - Google Patents

Description

具有延展性之網路系統及其備援方法

本發明為一種具有延展性之網路系統及其備援方法，特別是建立一由多個包括複數個網路節點的子網路所形成的網路，透過其中埠口角色定義與於網路連線改變時重新定義的機制達到快速完成備援的技術。

隨著應用層面普及，網路環境的安全與可靠性更顯重要，為了避免網路連線發生突發事件而斷線，或是網路上裝置失效而導致連線失敗的問題，有習知技術提出在各種網路型態下的備援機制。

一般來說，目前應用在區域網路或是工業自動化系統中的網路，在每個節點都設有網路交換器(Network Switch)，並經由各個交換器連結到相關設備，除了一般電腦、伺服器等連網設備外，更有應用於工業自動化系統中的工業控制器(industrial controller)，操作者可透過工業控制器執行遠端儀控或是維護。

網路架構的連結拓樸形式有很多種，包含了線形(Line)、環狀(Ring)、排狀(Bus)、星形(Star)、網狀(Mesh)、樹狀(Tree)等等，其中環狀的連接方式為網路中各個節點呈串連相接，頭尾再相連形成閉合環狀，每個節點都可以透過環形的線路與其它任何節點相互通訊。然而環狀網路中資料的傳輸，因其線路呈現環狀循環，若是舊資訊一直無止境的在線路中迴圈傳遞，佔用了網路頻寬，就會使新的資訊無法傳遞，形成網路的癱瘓，這種現象稱為廣播風暴(Broadcast Storm)。其解決的方法就是在環狀網路的某一個交換器節點上設置阻隔埠口(blockcd)，不允許資訊通過，因此資訊就不會無止境的傳遞下去。

又因為環狀網路的傳訊特性，當網路中其中一個節點毀損中斷，無法使用時，其它節點也會受影響，甚至造成網路癱瘓，因此確保線路的暢通是很重要的。而現今環狀網路的備援方法大部分都採用Rapid Spanning Tree Protocol(RSTP)的演算法，來讓線路的穩定性提高。RSTP演算法中，當阻隔著的埠口偵測到環狀線路中有其它節點或線路損壞時，就馬上把原本阻隔著的埠口變成可通訊的轉送埠口(forward)，讓整個系統線路能維持暢通；而當損壞的節點或線路修復之後，再恢復原始設定即可。

之於應用多個環狀網路的備援技術，習知技術提出如第一圖所示具有備援功能之環狀網路。

圖中顯示有複數個網路節點101,102,103,104,105,106，分別形成兩個環狀網路11,12，兩個環狀網路11,12以兩個連線13,14相互連結，包括網路節點101與網路節點104間的連線13，與網路節點103與網路節點106間的連線14。在一般運作時，以一主要連線，如連線13，作為封包傳遞的主要路徑。當有任何連線產生異狀時，比如主要連線斷掉、節點失效等狀況，備用線路，如連線14，會立即啟用，包括各連線上的節點的各埠口狀態亦會改變，以避免兩個環狀網路11,12之間通訊中斷。

上述技術中，因為線路損壞或是修復狀態的傳遞需要時間，而一般使用RSTP演算法則在埠口狀態的切換不夠迅速，因此常導致在埠口狀態切換期間，線路上資訊封包的 遺失過多，導致整個系統的錯誤。

不同於習知技術，並提出快速備援且具有延展性的網路架構，根據本發明實施例，提出一種具有延展性之網路系統，網路系統可為環狀或是線型網路，其主要是應用由複數個網路節點形成多個子網路，各子網路可相互連結形成另一具有環狀拓樸的網路，根據其中各節點相互連線的埠口定義，除了防止網路內可能形成的廣播風暴(broadcast storm)外，更能透過埠口定義的機制達到快速備援與網路延展的功能。與習知技術要發出訊號通知初始阻隔埠口的技術相比，能省去了許多訊號傳遞的時間，減少封包遺失，並提高了系統的穩定性。

上述各網路節點具有至少兩個連接其他網路節點的網路連接埠口，由網路節點相互連線形成一個子網路，而兩個子網路可相互連結形成具有延展性之環狀或線型網路系統。

特別的是，在網路連線進行初始化時，由一個子網路來看，其中各網路節點上的各網路連接埠口將會定義一個阻隔埠口(Blocked)與複數個轉送埠口(Forward)，根據實施例，除了依據連接關係外，可根據相互連接的各網路連接埠口的媒體存取控制(MAC)位址比對後定義出何者為阻隔埠口，而其餘則為轉送埠口。各網路節點於網路運作當中，會隨時偵測各埠口連線狀況，當網路連接關係改變時，包括連線失敗、裝置失效與連線修正等情況，即時重新定義各埠口的角色，比如原本是阻隔埠口的，可能因 為轉態為轉送埠口，或是相反。

本發明另提出應用於上述具有延展性之網路系統的備援方法，步驟包括先建立由複數個網路節點形成的子網路，多個子網路相互連結形成一具有延展性之網路系統。接著初始化此網路系統，並定義各子網路中複數個網路節點的各網路連接埠口的角色，包括有阻隔埠口與複數個轉送埠口。

除了定義出各子網路中各網路連接埠口的角色外，連接各子網路間的一或複數個網路節點上的各網路連接埠口的角色同樣應被定義出阻隔埠口或是轉送埠口。

於網路運作時，根據各網路節點間連線狀況判斷是否有連線改變，比如有連線失敗、裝置失效或是有連線修正時，都會造成偵測連線狀況發生問題，此時，一個網路節點的連線關係改變後，會通知相關節點，系統會依據連線狀況與媒體存取控制位址重新定義發生改變的子網路中的各網路連接埠口的角色，或是各子網路間連線的網路連接埠口的角色，封包傳遞的路徑將被修正，藉此迴避掉連線有問題的部份，藉此機制迅速完成一備援連線。

先請參閱第二圖所示的基本環狀網路之示意圖。

此環狀網路(Ring Network)20中有多個網路節點201,202,203,204，可為網路交換器(Switch)，其相互串連相接形成環狀。網路節點201,202,203,204各包含兩個以上之網路連接埠口(Network port)，用以相互連接形成環狀。各網路節點201,202,203,204中包含了一記憶體，用以儲 存各埠口與連接的埠口的狀態。

當環狀網路架設完成，各個網路節點201,202,203,204與鄰近的網路節點會開始互相連線交換資訊，以定義初始埠口的角色。於較佳實施例中，主要是比較各個相互連接的埠口之媒體存取控制(MAC)位址，比如，兩兩相比後，將整個環狀網路20中具有最大媒體存取控制位址的埠口設為阻隔埠口(Blocked port)B，如網路節點202上有兩個連接其他節點的網路連接埠口，其中之一定義為阻隔埠口B，使網路上封包在此中止。除了此阻隔埠口外，其它埠口設為可通訊，定義為轉送埠口(Forward port)F，以此機制可以使環狀網路20不會產生廣播風暴。如此便完成了初始值之設定。

在第二圖所表示的環狀網路20上各網路節點201,202,203,204皆可透過其上的設備埠口連接至終端設備，故此環狀網路20提供各終端設備備援的功能。

備援機制是，當有網路節點203與204間相連的線路損壞中斷，損壞線路兩端之網路節點203與204會偵測出有連線中斷的情況，此時就會發出一線路中斷訊號，再利用廣播封包通知環狀網路20上所有節點。之後，原本在網路節點202上定義為阻隔埠口B的網路連接埠口就轉態為轉送埠口F，使得網路上傳遞的封包仍可傳送到產生斷線的網路節點203上，如此一來，環狀網路上的各個節點仍可正常相互通訊，且不會有廣播風暴的產生。

接著，若線路修復後，修復線路兩端之網路節點203,204相連之網路連接埠口將擇一定義為阻隔埠口B，另一端則定義為轉送埠口F，而不影響其他網路節點的運作，亦使得此環狀網路20能正常運作。

第三圖顯示為上述環狀網路連接外部網路之示意圖，此圖顯示有一由複數個網路節點301,302,303,304形成的環狀網路31，在此網路架構下，環狀網路31上由網路節點303與網路節點304分別以連線32,33連接至外部網路30，此例中，網路節點304上連接網路節點303的網路連接埠口定義為阻隔埠口B。

此環狀網路31可以提供外部網路30備援的機制，此例以兩個連線32,33同時連結外部網路30，並且相互備援，當有任何一條連線斷掉，其連接的網路節點偵測到，並透過埠口重新定義，將連線轉為另一個連線，達到備援的目的。而環狀網路31則透過上述各埠口定義提供外部網路30存取此內部網路的一個穩定連線。

根據本發明提出的環狀網路系統，上述一個由多個網路節點形成的環狀網路為一個子網路單元，稱為環狀子網路，而各環狀子網路相互連接，更可形成另一個環狀網路，藉此架構可延展至更多可能網路架構，達成具有延展性的環狀網路系統。

第一實施例：

先參考第四圖所示的本發明應用兩個環狀網路連接一個外部網路之實施例示意圖。

此例中有兩個環狀子網路41,42，環狀子網路41由網路節點401,402,403形成，環狀子網路42由網路節點404,405,406形成，而兩者以網路節點403與網路節點405間的連線43連結，各節點相互透過其上的網路連接埠口相互連結。各網路節點可為網路交換器，故可另外具有連接各種連網設備的設備埠口。而兩個不同的網路交換器則可分別屬於不同網路拓樸型態的兩個區域網路。

由圖可知，環狀子網路41中的各網路節點401,402,403上的各埠口定義有一阻隔埠口B，其他則為轉送埠口F，同樣可在任何節點或是連線產生改變時，藉重新定義各埠口角色使得網路結構能夠快速收斂成一個備援環境，達到環狀網路內部的備援效果。同理，環狀子網路42中同樣有一網路連接埠口定義為阻隔埠口B，而其他則為轉送埠口F。

在上述有任一網路節點發現有連結中斷時，其中改變包括有連線失敗、裝置失效與連線修正，此網路節點將此訊息利用廣播方式通知相關網域內的各網路節點，通知網路拓樸型態改變，此時，系統將啟動埠口角色重新定義的機制，以收斂網路，並形成備援連線。舉例來說，若有斷線或是有網域內裝置失效，當網域內所有的網路節點得知改變時，其中的阻隔埠口會轉態為轉送埠口，可使得封包傳遞可以迴避斷線的地方；或是，若有任何連線修正，加入或是減少一個網路節點都會產生網路改變，此時，原有的阻隔埠口可能會轉態為轉送埠口，而加入的埠口可被選擇性定義為阻隔埠口與轉送埠口。

兩個環狀子網路41,42透過連線43連結，可以提供極好的延展性，並且提供所連接的各種終端設備備援的功能，包括提供圖中顯示外部網路40的連線備援。

外部網路40透過兩個連線44,45分別連接至環狀子網路41,42，圖中顯示，分別由網路節點403的網路連接埠口與網路節點405的網路連接埠口透過連線與與外部網路40連線，並同樣形成一個環狀網路系統。此環狀網路系統同樣應用本發明透過埠口定義轉態的機制達成備援的功效。

也就是，此網路系統於網路連線之初，各連線埠口即完成定義，如圖所示之範例，除了網路節點405連線至外部網路40的網路連接埠口定義為阻隔埠口(B)之外，其餘各埠口應定義為轉送埠口(F)。當連線43,44,45中有網路連接關係改變時，將透過重新定義各網路連接埠口的埠口角色，維持連線能力。比如，有任一連線斷線時，網路節點405連線至外部網路40的網路連接埠口將重新定義為轉送埠口，藉此，仍能透過其他連線繼續工作，使得使用者仍能透過外部網路40存取環狀子網路41,42所連接的各式終端設備的工作亦不會受到影響。

第二實施例：

本發明提出一種具有延展性之環狀網路系統，其中有複數個網路節點，各網路節點具有至少兩個連接其他網路節點的網路連線埠，各網路節點相互連接可形成至少兩個環狀子網路，而多個環狀子網路又相互連結形成具有延展性之環狀網路系統，在網路初始時，系統會將網域內各網路連接埠口定義有一個阻隔埠口與複數個轉送埠口，且於網路連接關係改變時，再利用重新定義阻隔埠口與轉送埠口的機制，提供備援的功效。

可參考第五圖顯示的本發明應用三個環狀網路之網路架構實施例示意圖。

此例顯示有三個由多個網路節點501,502,503,504,505,506,507,508,509形成的環狀子網路51,52,53，分別是由網路節點501,502,503形成的環狀子網路51、由網路節點504,505,506形成的環狀子網路52與由網路節點507,508,509形成的環狀子網路53，其中環狀子網路51與環狀子網路52由連線54連結，環狀子網路52與環狀子網路53由連線55連結，環狀子網路53與環狀子網路51由連線56連結。

特別的是，各環狀子網路中相互連結的網路節點的網路連接埠口分別定義有一個阻隔埠口B與多個轉送埠口F，為的是防止環狀網路發生廣播風暴的問題，並提供在網路連線改變時重新定義角色以產生備援的功能。由各環狀子網路51,52,53相互以連線54,55,56串接另一大的環狀網路，而各環狀子網路51,52,53間相互連接的網路連接埠口同樣定義有阻隔埠口B與多個轉送埠口F。

在此架構下，有些網路節點運作為環狀子網路51,52,53中的節點，而同時也為大的環狀網路連結各子網路的節點，如網路節點502有三個網路連接埠口，其中兩個為連結內部子網路的埠口，另一個則為各子網路相互連接的埠口，而此例將此埠口定義為轉送埠口F；另有網路節點503以定義為轉送埠口F的網路連接埠口連接至網路節點504；網路節點506上有一定義為轉送埠口F的網路連接埠口連接至網路節點507；網路節點508則有一定義為阻隔埠口B連接至網路節點502。

第三實施例：

相對於第五圖顯示的網路架構，第六圖顯示應用三個子網路連接一個外部網路60的架構，此例中包括有三個子網路61,62,63，其中各網路節點並非完整連線為環狀，而可為線型網路，故本發明可應用於非環狀的線型網路架構上。各子網路61,62,63中的網路節點的網路連接埠口無須定義有阻隔埠口B，而全為轉送埠口F。

此例中，外部網路60可透過兩個連線66,67連接此網路系統，如圖所示，外部網路60分別連線至網路節點602與網路節點607的網路連接埠口，透過連線64,65,66,67亦產生一個廣域的環狀網路，並可應用本發明所提供的備援機制，藉此產生備援的功能。

在此廣域的環狀網路系統中，各相互連接的網路埠口在網路初始時，透過彼此之間媒體存取控制(MAC)位址的比對定義為轉送埠口或是阻隔埠口，由於此廣域網路系統形成一個環狀網路，故需定義一個阻隔埠口，此例中，即為網路節點607連接至外部網路60的網路連接埠口。當該網路系統與外部網路60的連接關係改變時，透過本發明提出的備援機制，將重新定義連線64,65,66,67上的網路連接埠口之埠口角色，比如將原來阻隔埠口重新定義為轉送埠口。

本發明所提出的具有延展性之環狀網路系統之備援方法則應用於上述各實施例，步驟請參考第七圖的流程。

在步驟開始之初，如步驟S701，建立由複數個網路節點形成的至少兩個環狀或線型的子網路，本發明由此至少兩個子網路相互連結形成一具有延展性之網路系統，其中，在特定實施例所述之子網路中各節點可不必形成相互連結的環形網路，而可為相當應用定義其中網路連接埠口為一個阻隔埠口與多個轉送埠口的效果的環形網路。同時，此網路系統可透過其中兩個連線連接一個外部網路。

接著初始化此具有延展性之網路系統，包括連接到上述外部網路的連線關係(步驟S703)，初始化過程則定義各子網路中複數個網路節點的各網路連接埠口的角色，每個子網路中各網路連接埠口定義有一阻隔埠口與複數個轉送埠口(步驟S705)，在較佳實施例中，各網路節點比對相互連結的網路連接埠口的媒體存取控制位址，兩兩相比之後，將訊息廣播至整個子網路上的節點，能夠自動產生一阻隔埠口，而其餘埠口則定義為轉送埠口，本發明即應用阻隔埠口與轉送埠口的角色定義的機制產生連線備援的功效。

同時，由於各子網路亦透過一或多個網路節點相互連接形成一涵蓋較廣的環狀網路，包括連線至外部網路的連線態樣，如步驟S707，在此環狀網路中，本發明方法同樣定義出連接各子網路間的各網路節點的網路連接埠口角色，在此廣域的連線上有一阻隔埠口與多個轉送埠口；在另一實施例中，此網路系統連線至外部網路的連線埠口，與各子網路間的連線埠口同樣在此初始化程序中同樣定義有一個阻隔埠口與多個轉送埠口。當有連線改變時，同樣可以透過各埠口角色重新定義來達成連線備援的效果。在另一實施例中，此涵蓋較廣的環狀網路之兩端可不用相互銜接，故此類網路架構則不需有阻隔埠口。

之後完成連線，如步驟S709，在網路運作過程各網路節點會根據相互連結的物理層(physical layer)的連線狀況判斷連線是否有改變，比如在網路交換器上的連線狀態(link)，連線改變包括連線失敗、裝置失效與連線修正。於步驟S711中，此具有延展性之網路系統在網路運作過程 判斷是否有連線改變。

若過程中無連線改變，表示沒有連線失敗、各節點裝置失效或是連線修正的改變時，則繼續步驟S711判斷是否有連線改變的步驟；若有連線改變，則接著判斷此改變是在子網路中，或是各子網路之間，或是連接至外部網路的連線的網路節點上(步驟S713)。

不論是子網路中的連線產生改變，廣域的環狀網路的連線有改變，或是廣域連線至外部網路的連線的改變，經廣播通知發生改變相關的各網路節點後，相關網路上的各網路連接埠口的角色會被重新定義，在步驟S715中，重新定義發生改變的子網路中的各網路連接埠口的角色，或是各子網路間連線的網路連接埠口的角色。最後完成備援連線(步驟S717)。

綜上所述，藉第七圖所描述的備援流程，本發明主要透過環狀子網路或是其組成的環狀網路上各連接節點的埠口角色定義，達成快速網路收斂與備援的功效，讓此網路系統連接的外部網路，或是網域內連線設備都有備援連線的機制。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

101,102,103,104,105,106‧‧‧網路節點

11,12‧‧‧環狀網路

13,14‧‧‧連線

B‧‧‧阻隔埠口

F‧‧‧轉送埠口

20,31‧‧‧環狀網路

201,202,203,204,301,302,303,304,401,402,403,404,405,406,501,502,503,504,505,506,507,508,509,601,602,603,604,605,606,607,608,609‧‧‧網路節點

32,33,43,44,45,54,55,56,64,65,66,67‧‧‧連線

41,42,51,52,53‧‧‧環狀子網路

61,62,63‧‧‧子網路

30,40,60‧‧‧外部網路

本發明方法流程‧‧‧S701-S717

第一圖顯示為習知技術具有備援功能之環狀網路示意圖； 第二圖所示為一基本環狀網路之示意圖；第三圖顯示為一環狀網路連接外部網路之示意圖；第四圖顯示為本發明應用兩個環狀網路連接一個外部網路之實施例示意圖；第五圖顯示為本發明應用三個環狀網路之網路架構實施例示意圖；第六圖顯示為本發明應用三個環狀網路連接一個外部網路之實施例示意圖；第七圖所示為本發明具有延展性之環狀網路系統之備援方法流程。

501,502,503,504,505,506,507,508,509．．．網路節點

54,55,56．．．連線

51,52,53．．．環狀子網路

B．．．阻隔埠口

F．．．轉送埠口

Claims (8)

1. 一種具有延展性之網路系統，包括：複數個網路節點，各網路節點具有至少兩個連接其他該網路節點的網路連接埠口；以及至少兩個子網路，該複數個網路節點相互連線形成一環狀或線型子網路，該至少兩個子網路相互連結形成該具有延展性之網路系統；其中，於該至少兩個子網路相互連接形成的網路上，連接各子網路間的多個網路節點的複數個網路連接埠口經埠口角色定義後形成一個阻隔埠口與複數個轉送埠口；並且，形成各子網路的各網路節點上的各網路連接埠口於網路初始時定義有一個阻隔埠口與複數個轉送埠口；當由該至少兩個子網路相互連接的網路連接關係改變時，該至少兩個子網路間的網路連接埠口重新定義各埠口角色；而當各子網路內網路連接關係改變時，重新定義該子網路內各網路連接埠口的各埠口角色。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有延展性之網路系統，其中於網路初始時所定義的該阻隔埠口與該轉送埠口係根據相互連接的各網路連接埠口的媒體存取控制(MAC)位址比對後得出，其中更透過各網路連接埠口的物理層之偵測判斷是否有網路連接關係的改變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有延展性之網路系統，其中該網路系統包括兩個連線一外部網路的網路連接埠口，該兩個網路連接埠口於網路初始時定義埠口角色； 當該網路系統與該外部網路的連接關係改變時，重新定義該兩個網路連接埠口之埠口角色。
4. 一種應用於申請專利範圍第1項之具有延展性之網路系統的備援方法，包括：建立由複數個網路節點形成的至少兩個子網路，各子網路相互連結形成一具有延展性之環狀或線型網路系統；初始化該具有延展性之網路系統；定義各子網路中該複數個網路節點的各網路連接埠口的角色，其中各子網路中各網路連接埠口定義有一阻隔埠口與複數個轉送埠口；定義連接各子網路間的一或複數個該網路節點上各網路連接埠口的角色，其中至少兩個子網路形成另一個網路，而連接各子網路間的複數個網路節點的網路連接埠口則經角色定義後形成一個阻隔埠口與複數個轉送埠口；於完成連線後，根據各網路節點間連線狀況判斷是否有連線改變；若無連線改變，則繼續判斷是否有連線改變的步驟；若有連線改變，則判斷改變在子網路中或是各子網路之間連線的網路節點上；經廣播通知發生改變相關的各網路節點後，重新定義發生改變的子網路中的各網路連接埠口的角色，或是各子網路間連線的網路連接埠口的角色；以及完成一備援連線。
5. 如申請專利範圍第4項所述之備援方法，其中該網路節點為一具有至少兩個連接其他網路節點的網路連接埠口的網路交換器。
6. 如申請專利範圍第4項所述之備援方法，其中所述之連線改變的狀態為連線失敗、裝置失效與連線修正之一。
7. 如申請專利範圍第6項所述之備援方法，其中於網路初始時或是發生連線改變後所定義的該阻隔埠口與該轉送埠口係根據相互連接的各網路連接埠口的媒體存取控制(MAC)位址比對後得出，其中更透過各網路連接埠口的物理層之偵測判斷是否有網路連接關係的改變。
8. 如申請專利範圍第4項所述之備援方法，其中於建立該至少兩個子網路的該網路系統包括連接一外部網路，該網路系統透過兩個網路連接埠口連接該外部網路；該兩個網路連接埠口於網路初始化時定義埠口角色；當該網路系統與該外部網路的連接關係改變時，重新定義該兩個網路連接埠口之埠口角色。