TWI396408B - 具串接連網能力的設備之備援系統及其方法 - Google Patents

Description

具串接連網能力的設備之備援系統及其方法

本發明關於一種具串接連網能力的設備之備援系統及其方法，特別是透過各網路節點之連線埠口的角色定義，建立連網設備的緊急備援連線的技術。

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。

可參考第一圖所示為習知技術線型網路架構示意圖。此圖顯示使用者電腦101經由網路10遠端連線至彼端的連網設備，比如各種用來控制終端設備的工業控制器103,104，其中工業控制器103可先透過網路交換器102連接網路10，工業控制器104則透過網路交換器105連線網路10。在此簡單的架構下，連線1或是連線2是毫無備援機制，當連線1或是連線2發生了任何斷線事件，使用者電腦101將無法存取網路上的各工業控制器103,104。另一情況是，當連線1上的任何設備發生失效的問題，比如網路交換器102損毀，使用者電腦101同樣無法存取其中網路內的工業控制器。

就網路連線而言，最常見的備援方式即是於原來的網路連線之外，提供另一個網路連線，也就是連線1與連線2互為備援。就此例而言，終端設備透過工業控制器103與104有兩個對外網路連線(1,2)，若原有網路連線1有問題時，能夠即時由另一個網路連線2取代，達成備援的功效，各種網路行為將不會被影響。

就網路設備而言，比如網路上的路由器(router)、交換器(switch)，若發生問題時，則會影響很多電腦的網路連線。以第一圖為例，若工業控制器103原來連線的網路交換器102發生問題時，使用者電腦101可以連線2所連接的備援網路交換器105控制終端設備，此時可透過設置兩台以上的設備達到備援的效果。

除了上述各種連線或是網路設備的備援方式，更有習知技術透過各種網路拓樸的設計執行各種網路備援機制：比如線型網路(Bus Network)，可以兩條連線的方式產生備援的效果；環狀網路(Ring Network)，則可以環狀的方式產生備援效果；星狀網路(Start Network)則可以網狀網路(Mesh Network)實現，透過不同的路由方式產生備援效果。

不同於各種習知技術，本發明所提出的具串接連網能力設備之備援系統，可適用於各種網路拓樸下各連網設備的備援需求，當有連線改變時，透過各網路節點上的連線埠口(Network Port)的角色定義，控制網路封包的傳遞路徑，達到緊急備援的效果，使得各網路節點與設備能夠在連線失敗或是裝置失效，甚至有任何連線修正的狀況下，仍然維持網路連線。

根據實施例，具串接連網能力設備之備援方法包括先初始化由至少一個網路節點與多個連網設備形成的網路，其中各網路節點至少具有兩個網路連線埠口與至少一個設備埠口，比如網路交換器(Switch)，而由設備埠口連接至一或複數個連網設備，比如連線不同終端設備的工業控制器或是其他相關網路設備，各連網設備(工業控制器)至少具有兩個連向不同網路節點的網路連線埠口，另有實施例是連網設備上的兩個網路連線埠口同時連向同一個網路節點的兩個不同的埠口。

之後，根據區域網路上相互廣播的封包內容，經相互比對，定義出各網路節點之設備埠口的角色，比如，有些埠口定義為轉送埠口(Forward)，有些則為阻隔埠口(Blocked)。每種角色負責不同的工作，本發明即透過角色定義改變網路封包的傳遞路徑，藉此達到備援的功能。

接著，各網路節點週期性廣播或接收連線確認封包，藉此判斷是否有任何連線改變，比如有連線失敗或是裝置失效，都會造成無法接收連線確認封包或是回應封包的狀況，甚至有任何連線修正，也會產生網路連線改變，比如增加或減少網路上的設備，或是改變連線等。判斷有改變後，則重新定義各相關的網路節點之設備埠口角色，此時，網路封包傳遞的路徑將被修正，藉此迴避掉連線有問題的部份，以此達成備援的效果。

依據上述具串接連網能力設備之備援方法，本發明提出具串接連網能力設備之備援系統。

在一實施例中，此網路系統具有至少兩個網路節點，每個網路節點包括至少兩個連接其他網路節點的網路連線埠口，另有一或多個連線連網設備的設備埠口。網路中有一或複數個連網設備，每個連網設備包括至少兩個網路連線埠口，分別連向不同網路節點的設備埠口。

特別的是，網路節點與連網設備初次連線時，將根據通訊協定，定義出各設備埠口的角色，同樣透過廣播封包偵測到連線改變時，將重新定義各設備埠口的角色，以修正網路封包傳遞的路徑。

於另一實施例中，連網設備的兩個網路連線埠口將分別連向同一個網路節點，但為不同的設備埠口上，特別應用於多個連網設備的情況下。各連網設備分別以兩個不同的網路連線埠口連向不同兩個設備埠口，形成至少一個連網設備群組。同理，於網路節點與複數個連網設備形成的各區域網路初次連線時，定義出各設備埠口的角色。當偵測到連線改變時，將重新定義各設備埠口的角色，以修正網路封包傳遞路徑，達到連線備援的效果。

第一實施例：

根據第二圖所示的本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構的示意圖，其中包括有多個網路節點21,22,23,24形成的環狀網路，特別是網路交換器(Switch)，其中有網路節點22與網路節點23連接有多個連網設備201,202,203,204，比如用來連線控制各種終端設備的工業控制器或是其他網路設備，並形成另一環狀網路。

其中特別的是，各網路節點21,22,23,24具有至少兩個網路連線埠口(Port)，比如網路節點21有埠口a與埠口b，分別連向網路節點24的埠口h與網路節點22的埠口c，依此形成一環狀網路，形成一個具有備援能力的環形拓樸的網路。舉例來說，在此環狀網路初始時，各相互連接的埠口a,b,c,d,e,f,g,h透過彼此媒體存取控制位址(MAC address)的比對，決定出各種網路角色，同時要避免此環狀網路產生廣播風暴(Broadcast Storm)，故會定義一個埠口為一阻隔埠口(Blocked)，而其他埠口則定義為轉送埠口(Forward)。當有任何一個連線失敗時，也就是網路封包無法到達其中一個網路節點時，各埠口角色會重新定義，原來阻隔埠口則可能修改為轉送埠口，而有另接近發生連線失敗的埠口轉為阻隔埠口，而能維持連線，繼續提供其他遠端使用者存取此網路中的各設備資源。

在第二圖所示的實施例中，為達到除了上述各網路節點(如網路交換器)的備援外，網路上各連網設備同時具有備援的功能。各個連網設備201,202,203,204至少具有兩個不同的網路連線埠口，相互串接形成連接於網路節點22與網路節點23的區域網路，此時，連網設備201,202,203,204是連向兩個不同網路節點上的設備埠口B與C。

此時，於網路連線之初，設備埠口B可定義為阻隔埠口，封包將不會由此傳遞給各連網設備201,202,203,204，而設備埠口C則定義為轉送埠口，經過網路節點的封包將由此轉送埠口傳遞至連網設備201,202,203,204。在此說明，分別定義的阻隔埠口與轉送埠口是避免環狀網路上可能因為封包循環(looping)而產生廣播風暴的情況。

在一般運作時，各網路節點間會利用週期性發送連線確認封包作為連線測試，每個節點會廣播也會接收到網路上各節點的封包，作為彼此認知的依據。當有連線失敗時，比如連線點A斷線，使得連線點A兩端的連網設備201與202偵測到封包無法由此連線到達另一端，也就是外部網路封包無法到達連網設備201。同時，原來設定為阻隔埠口的設備埠口B在一預定時間內也無法接收到來自定義為轉送埠口的設備埠口C的連線確認封包，顯示網路上有連線失敗的問題，此時，設備埠口B則會據以轉態為轉送埠口，使得網路封包不僅可以經由設備埠口C到達連網設備202,203,204，亦可以經由設備埠口B到達連網設備201。

經由此例中阻隔埠口重新定義為轉送埠口的機制，提供給內部連網設備一個備援的環境。

第二實施例：

再請參考第三圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構之另一實施例。

本發明所提供的具串接連網能力設備之備援方法並不限於應用在同一個網路型態，第三圖顯示之實施例架構於兩個不同的網路型態，其中網路節點分別屬於不同網路型態的兩個區域網路，包括由網路節點31,32,33,34形成的環狀網路，與網路節點35,36,37,38形成的另一較複雜的網路，比如以快速生成樹協定(Rapid Spanning Tree Protocol,RSTP)所規範的另一網路型態。

兩個不同網路各自有一個網路節點31與35連結連網設備301,302,303，各連網設備301,302,303包括至少兩個網路連線埠口，相互連結形成一線型的網路，兩端分別連向網路節點31與35的設備埠口。同樣於網路節點31,35與各連網設備301,302,303初次連線時，根據通訊協定，定義出各設備埠口的角色。之後，透過廣播封包偵測是否有連線改變，包括偵測到連線失敗、裝置失效與連線修正等狀況，則會重新定義各設備埠口的角色，以修正網路封包傳遞的路徑。

比如，網路初始時，設備埠口B’定義為阻隔埠口，外部網路封包不會經此設備埠口B’傳遞到連網設備301,302,303,而設備埠口C’則會定義為轉送埠口。當有連線點A’斷線，則使得連網設備301對外連線失敗，故設備埠口B’將會轉態為轉送埠口，使得封包能夠存取到連網設備301，藉此埠口的重新定義來達到備援的效果。

第三實施例：

第四圖所示為具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之三，本發明所提供備援機制可應用於單一網路節點所連線的多個連網設備上。

根據圖示，有一個網路節點40，提供複數個連網設備401,402,403,404,405,406,407,408,409,410對外連線的閘道，網路節點40同樣可以具有兩個不同的網路連線埠口，分別連接不同的其他網路節點，並具有複數個對區域網路各設備連線的設備埠口。

此例中，連網設備401,402,403,404各自具有兩個網路連線埠口，相互串接為一線型網路，兩端分別連線至網路節點40的兩個不同的設備埠口D,E，形成一個網路群組；同理，連網設備405,406,407亦形成一個區域網路，兩端也分別連向網路節點40的兩個不同的設備埠口F,G，形成一個網路群組；同理，連網設備408,409,410也形成另一個網路群組，兩端分別連向網路節點40的兩個不同的設備埠口H,I。

上述各個網路群組兩端所連線的為同一個網路節點40，網路節點40上的不同設備埠口先定義有不同的角色，有不同的備援機制。比如，設備埠口D於初始時定義為阻隔埠口，則設備埠口E則會定義為轉送埠口，以免網路群組內的各設備間封包廣播產生循環的問題，而何者為阻隔埠口，何者為轉送埠口則可依據各埠口編號大小而定，比如，經兩兩比對，編號較大者為阻隔埠口，編號較小者為轉送埠口。同理，設備埠口F,G,H,I將分別定義為阻隔埠口與轉送埠口。

之後，當偵測到連線改變時，包括有連線斷掉、設備失效或是網路結構被改變時，將重新定義各設備埠口的角色，原有阻隔埠口將可重新定義為轉送埠口，以修正網路封包傳遞路徑，達到連線備援的效果。

第四實施例：

應用本案的技術，使得網路上連線一旦改變就會重新定義角色，可再參考第五圖所示本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之四。

此例中，有網路節點51,52分別透過設備埠口連接連網設備501,502,503。舉例來說，初始時，網路節點51上的設備埠口J定義為阻隔埠口，網路節點52上的設備埠口K定義為轉送埠口。此時，若有另一網路節點53臨時加入網路中，比如將連網設備502的一個連線轉至網路節點53上，產生連線修正的情況，顯示連線點A”斷線。此時，系統將偵測到有網路改變，也就是設備埠口J將不會接收到來自設備埠口K的封包，此時，設備埠口J將會被重新定義為轉送埠口，使得連網設備501可被存取。

在此形成由網路節點52連至網路節點53的連線5，而為了避免網路節點52、連網設備502,503與網路節點53間會產生封包循環的問題(有同一個來源)，則設備埠口K與網路節點53上的設備埠口L會重新定義，分別形成阻隔埠口與轉送埠口。

在另一狀況是，在原有網路上新增或是減少任一設備都會改變原有網路架構，特別是當新增或是減少任一網路節點，系統會由連線封包偵測出有連線改變，此時會重新定義各網路節點的連線埠口。

於上述各實施例中，網路節點可為網路交換器，作為封包轉送與各區域網路連線的裝置，遠端使用者可透過網路，經由此網路交換器存取各連網設備，各連網設備至少有兩個分別連向不同設備埠口的網路連線埠口，本發明透過不同或相同的網路交換器上各埠口的角色定義，產生備援的機制。

第五實施例：

第六圖則是具體化本發明的實施例，特別的是，此圖顯示的實施例將可應用到各種不同的網路型態上。圖中顯示有個遠端使用者60，透過不同連線連接到不同的兩個網路交換器61,62，舉例來說，網域內由不同的工業控制器601,602,603形成一個線性拓樸的網路，兩端分別連接不同的網路交換器61,62，透過不同的網路交換器61,62達成連線備援的功效。

於網路初次連線時，分別定義各網路交換器上的設備埠口的角色，再透過廣播封包偵測由工業控制器601,602,603形成的連線是否有改變。

比如，在各工業控制器601,602,603間連線失敗，或是有裝置失效導致無法連線，或是產生網路結構的改變使得連線需要修正等情況，此時阻隔埠口會於一預定時間內未接收到來自轉送埠口的封包，則判斷發生網路改變，依據通訊協定，各網路交換器上的設備埠口會重新定義角色，以維持各設備連線。

第六實施例：

此例，第七圖為第二圖之具體實施態樣，網路交換器71,72,73,74形成一個環狀網路，複數個連網設備，如各種工業控制器701,702,703，與兩個該網路交換器73,74形成一個區域網路。根據本發明提供的通訊協定，在建立網路之初，網路交換器73連接各設備的設備埠口與網路交換器74連接各設備的設備埠口分別定義為阻隔埠口與轉送埠口。

經廣播封包偵測，若各工業控制器701,702,703之間有連線改變，則會造成阻隔埠口於一段時間內收不到設備或是彼端轉送埠口的封包，則根據通訊協定，會重新定義為轉送埠口。

第七實施例：

第八圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統之具體實施態樣，其中圖示有由兩個工業控制器801,802形成一個連線至網路交換器82與網路交換器83的區域網路，透過兩個連線產生備援的功效。另有由工業控制器803,804與其他網路設備805連線至網路交換器82與網路交換器83形成的區域網路。在此顯示本發明提供有樣性，且具彈性的備援環境。

此例中，有一遠端使用者80，透過網路，經路由器81，分別連向不同的網路交換器82,83，藉以存取工業控制器801,802,803,804或其他網路設備805。在此架構下，若有由路由器81連向不同網路交換器82,83的任一連線點M,M’斷線，則仍有另一連線可供連線；或是，若有工業控制器801與工業控制器802間連線點M”斷線，則仍可透過重新角色定義，改變存取路徑，達到存取的目的；或者，在另一區域網路，工業控制器804與其他網路設備805間的連線點M’’’發生斷線，則同樣可透過網路交換器82,83上的設備埠口角色重新定義，產生備援的效果。

第八實施例：

第九圖顯示本發明另一具體實施態樣，根據此例，使用者電腦90有兩個網路卡，分別連線至兩個不同的網路交換器91,92，內部形成一個以工業控制器901與工業控制器902分別連線至網路交換器91,92的區域網路。此例中，除了內部網路透過本發明提供的通訊協定達成備援功效外，使用者電腦90同樣可以不同連線產生備援的功效。

根據上述多個實施例，本發明的特徵主要是透過網路節點(如網路交換器)上連接各設備的埠口的角色定義轉換，達到在發生連線改變時，能夠即時切換角色而修正存取路線的備援效果。其中方法可參考第十圖所示之步驟流程圖。

由一或多個網路節點與一或複數個連網設備形成一個網路，各網路節點至少具有兩個網路連線埠口與複數個設備埠口，各連網設備則至少具有兩個連向相同或不同網路節點的網路連線埠口，如步驟S101，經網路初始化後，根據網路上相互廣播的封包內容，經相互比對，定義出各網路節點之設備埠口的角色，至少包括有轉送埠口(Forward)與阻隔埠口(Blocked)(步驟S103)。

接著如步驟S105，各網路節點週期性廣播或接收連線確認封包，藉此判斷是否有任何連線改變，比如於廣播連線確認封包後，根據是否接收到相對的回應封包來判斷是否有任何連線改變(步驟S107)。比如有連線失敗、裝置失效或是有任何網路架構改變，使得無法正常接收連線確認封包或是回應封包。

經來往連線確認封包與回應封包判斷並未有改變時(否)，步驟則回到步驟S105，繼續偵測。但若有改變後(是)，則接著確認連線改變的型態，包括連線失敗、裝置失效與連線修正(步驟S109)，各節點能夠透過是否接收到廣播封包的訊息判斷有連線改變。

接著，根據連線改變訊息與有關的連網設備各埠口狀態，重新定義各網路節點之設備埠口角色(步驟S111)，完成備援連線(步驟S113)。此時，網路封包傳遞的路徑將被修正，藉此迴避掉連線有問題的部份，以此達成備援的效果。

綜上所述，本發明提出一種具串接連網能力的設備之備援系統及其方法，主要特徵在於連線於網路節點的各連網設備具有兩個網路連線埠口，分別連向相同或不同的節點的兩個設備埠口，藉角色重新定義達到修正網路封包路徑來達到備援的效果。

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。

10‧‧‧網路

101‧‧‧使用者電腦

103,104‧‧‧工業控制器

102‧‧‧網路交換器

21,22,23,24‧‧‧網路節點

201,202,203,204‧‧‧連網設備

a,b,c,d,e,f,g,h‧‧‧埠口

1,2‧‧‧連線

A,A’,A”‧‧‧連線點

105‧‧‧備援網路交換器

31,32,33,34,35,36,37,38,40‧‧‧網路節點

301,302,303‧‧‧連網設備

B,C,B’,C’‧‧‧設備埠口

401,402,403,404,405,406,407,408,409,410‧‧‧連網設備

51,52,53‧‧‧網路節點

D,E,F,G,H,I,J,K,L‧‧‧設備埠口

501,502,503‧‧‧連網設備

5‧‧‧連線

60,80‧‧‧遠端使用者

61,62‧‧‧網路交換器

601,602,603,701,702,703,801,802,803,804,901,902‧‧‧工業控制器

71,72,73,74‧‧‧網路交換器

81‧‧‧路由器

82,83,91,92‧‧‧網路交換器

805‧‧‧其他網路設備

90‧‧‧使用者電腦

M,M’,M”,M'''‧‧‧連線點

S101~S113‧‧‧具串接連網能力設備之備援方法步驟

第一圖所示為習知技術線型網路架構示意圖；第二圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之一；第三圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之二；第四圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之三；第五圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構示意圖之四；第六圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構實施例示意圖；第七圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構實施例示意圖；第八圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構實施例示意圖；第九圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援系統網路架構實施例示意圖；第十圖所示為本發明具串接連網能力設備之備援方法步驟流程圖。

60．．．遠端使用者

61,62．．．網路交換器

601,602,603．．．工業控制器

Claims (10)

1. 一種具串接連網能力設備之備援方法，包括有：初始化一網路，該網路中包括一或多個網路節點與一或複數個連網設備，其中各網路節點至少具有兩個網路連線埠口與一或複數個設備埠口，藉由該設備埠口使每一網路節點連接至該一或複數個連網設備，各連網設備至少具有兩個連向該相同或不同網路節點的網路連線埠口，該連網設備透過該網路節點連接外部網路；定義各網路節點之設備埠口的角色，係根據各網路節點與各連網設備所產生的網路封包內容來定義，其中各埠口的角色是複數個轉送埠口(Forward)與一或複數個阻隔埠口(Blocked)；各網路節點週期性廣播或接收連線確認封包；依據相對的回應封包，藉以判斷是否有任何連線改變；若連線無改變，仍繼續廣播該連線確認封包；若判斷有連線改變，包括連線失敗、裝置失效及連線修正，則重新定義各設備埠口的角色；以及完成一備援連線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具串接連網能力設備之備援方法，其中該網路節點為一具有至少兩個連接其他一個或多個網路節點的網路連線埠口的網路交換器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具串接連網能力設備之備援方法，其中該連網設備之所述網路連線埠口分別連向兩個不同的網路交換器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具串接連網能力設備之備援方法，其中該兩個不同的網路交換器分別屬於不同網路型態的兩個區域網路。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具串接連網能力設備之備援方法，其中該連網設備之兩個網路連線埠口分別連向同一個網路交換器的兩個不同的設備埠口。
6. 一種應用申請專利範圍第1項所述之具串接連網能力設備之備援方法的系統，包括有：至少兩個網路節點，其中每個網路節點包括至少兩個連接其他網路節點的網路連線埠口，與複數個設備埠口；一或複數個連網設備，其中每個連網設備包括至少兩個網路連線埠口，分別連向兩個不同網路節點的設備埠口，與所述網路節點形成一區域網路；其中，於所述網路節點與該一或複數個連網設備初次與該區域網路連線時，定義各設備埠口的角色；再透過廣播封包偵測到連線改變時，重新定義各設備埠口的角色，該角色為一轉送埠口或一阻隔埠口，該連線改變包括連線失敗、裝置失效與連線修正。
7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該網路節點為一網路交換器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該複數個連網設備形成一個線性拓樸的網路，該網路的兩端分別連接至兩個不同的網路交換器。
9. 一種應用申請專利範圍第1項所述之具串接連網能力設 備之備援方法的系統，包括有：一網路節點，其中該網路節點包括至少兩個連接其他網路節點的網路連線埠口，與複數個設備埠口；複數個連網設備，各連網設備包括至少兩個網路連線埠口，該複數個連網設備形成至少一個連網設備群組，各群組的兩端分別連向該網路節點上的兩個設備埠口，各群組形成一個區域網路；其中，於該網路節點與該複數個連網設備形成初次與該區域網路連線時，定義各設備埠口的角色；再透過廣播封包偵測到連線改變時，重新定義各設備埠口的角色，該角色為一轉送埠口或一阻隔埠口，該連線改變包括連線失敗、裝置失效與連線修正。
10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該網路節點為一網路交換器。