自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法
【專利摘要】自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，算法運(yùn)行在二層交換機(jī)上。本算法設(shè)計(jì)特殊BPDU報(bào)文，BPDU報(bào)文中的linkup消息在環(huán)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)比較來(lái)確定環(huán)網(wǎng)中的根交換機(jī)和環(huán)網(wǎng)的兩個(gè)端口。交換機(jī)在啟動(dòng)時(shí)和發(fā)現(xiàn)端口連上時(shí)，發(fā)linkup消息來(lái)判斷成環(huán)的端口和根交換機(jī)；收到自己的linkup消息，計(jì)算兩個(gè)成環(huán)端口，判斷自己是否是根交換機(jī)，如果是根交換機(jī)發(fā)出完成消息和通知消息，如果不是發(fā)通知消息。收到通知消息后轉(zhuǎn)發(fā)該消息，發(fā)送linkup消息確定自己的環(huán)網(wǎng)端口；收到完成消息，設(shè)置連接上的端口為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，清空mac地址表，轉(zhuǎn)發(fā)該消息。交換機(jī)定時(shí)掃描連接變化，發(fā)現(xiàn)成環(huán)的端口掉線，發(fā)出linkdown消息，根交換機(jī)處理該消息并發(fā)送響應(yīng)消息。
【專利說(shuō)明】自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法屬于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域。具體涉及一種在以太網(wǎng)交換機(jī)上運(yùn)行的軟件算法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)通訊環(huán)境中采用以太網(wǎng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越普遍，工業(yè)通訊對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性要求很高，以太網(wǎng)交換機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)必須做出一定的改進(jìn)來(lái)滿足這種要求。本發(fā)明設(shè)計(jì)自適應(yīng)以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法來(lái)保證通訊的穩(wěn)定性和可靠性。自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法工作在數(shù)據(jù)鏈路層，主要在交換機(jī)上運(yùn)行，支持交換機(jī)之間的單環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用交換芯片的特定功能和本發(fā)明提供的算法使交換機(jī)物理上的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成邏輯上的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0003]交換機(jī)是構(gòu)建以太網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，交換機(jī)之間一般直接采用線性連接，但是線性連接有個(gè)缺點(diǎn):當(dāng)線性連接中有一條線路故障將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊中斷。工業(yè)環(huán)境中交換機(jī)可采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，避免其中的一條線路故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接的交換機(jī)一般采用私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)RSTP協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)RSTP協(xié)議具有冗余備份和鏈路切換功能，不過(guò)鏈路切換的時(shí)間在幾秒到幾十秒之間，自愈時(shí)間太長(zhǎng)不能滿足工業(yè)要求。私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議需要管理員設(shè)置根交換機(jī)和設(shè)置成環(huán)端口，使用上不便捷。如果操作員誤連錯(cuò)誤，交換機(jī)端口會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。
[0004]為了克服傳統(tǒng)RSTP協(xié)議自愈時(shí)間太長(zhǎng)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，本算法支持環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有冗余備份和鏈路切換功能，可以自動(dòng)選擇交換機(jī)的成環(huán)端口，同時(shí)自動(dòng)選擇或按照管理員的設(shè)置選擇環(huán)網(wǎng)中一臺(tái)交換機(jī)作為根交換機(jī)。根交換機(jī)執(zhí)行冗余備份和鏈路切換功能，在連接變化和網(wǎng)絡(luò)重新連接時(shí)智能的重新選擇成環(huán)端口和根交換機(jī)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的切換時(shí)間和連接恢復(fù)后的自愈時(shí)間在20ms以內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明需要用到交換機(jī)的交換芯片的特定功能，包括:交換機(jī)的端口狀態(tài)、交換機(jī)的連接狀態(tài)和BPDU (橋接管理幀)。現(xiàn)在交換芯片大部分都支持這些功能，比如馬維爾公司的6095F、6061F等芯片，博通公司的BCM53242、BCM53262等芯片。交換機(jī)的端口狀態(tài)通常有四種:轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、禁用狀態(tài)、學(xué)習(xí)狀態(tài)。本發(fā)明使用其中的兩種:轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)和阻塞狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)允許所有的數(shù)據(jù)幀通過(guò)，阻塞狀態(tài)只允許BPDU通過(guò)，其他報(bào)文不允許通過(guò)。BPDU是交換機(jī)的一種特定的報(bào)文，它作用是管理交換機(jī)的連接，BPDU可以被處于阻塞狀態(tài)的交換機(jī)端口收發(fā)處理，可以用它實(shí)現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Brou可以指定報(bào)文的出端口，分析BPDU可以得到報(bào)文的入端口。本發(fā)明應(yīng)用BPDU的出端口和入端口來(lái)計(jì)算交換機(jī)的參與環(huán)網(wǎng)的成環(huán)端口，用BPDU消息的收發(fā)處理來(lái)完成算法主要功能。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中除了 BPDU消息的數(shù)據(jù)通信外，大量的是普通的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流很多需要占用cpu的處理時(shí)間，BPDU消息的重要性高于普通數(shù)據(jù)流，如果BPDU的數(shù)據(jù)流沒(méi)有及時(shí)處理會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，所以需要優(yōu)先處理BPDU的數(shù)據(jù)，打開(kāi)交換機(jī)的QOS功能，讓BPDU數(shù)據(jù)在最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，交換機(jī)優(yōu)先處理BPDU。
[0006]本發(fā)明設(shè)計(jì)一種特殊的BPDU幀，包含交換機(jī)的出端口、交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)、根交換機(jī)的mac地址等信息。該BPDU幀可以用下面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)，其中desjnac是算法采用的特殊的組播目的地址，交換機(jī)在收到該特殊組播目的地址的數(shù)據(jù)幀后直接轉(zhuǎn)發(fā)到交換機(jī)的CPU處理。source_mac為發(fā)包交換機(jī)的mac地址,具有唯一性；bcm_type為交換芯片的類型，每個(gè)廠家各不一樣；bcmt_tag字段可以規(guī)定數(shù)據(jù)幀的出端口和BPDU數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)交換機(jī)收到BPDU幀后交換芯片修改它，修改后的字段中包含幀的入口信息；cmd為消息的類型，用以區(qū)分不同作用的各種消息；id為交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)標(biāo)示；depth表明數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)的交換機(jī)的個(gè)數(shù)；out_port指出數(shù)據(jù)出端口 ；root_mac為環(huán)網(wǎng)中根交換機(jī)的mac地址；reserve_data為保留區(qū)域,可在以后擴(kuò)充。對(duì)于特定的交換芯片而言，bcm_type, bcm_tag這兩個(gè)字段的位置和大小可能不一樣，需要開(kāi)發(fā)者按照芯片的說(shuō)明進(jìn)行修改，下面的結(jié)構(gòu)體可以支持博通公司的BCM53242、BCM53262芯片。
[
【權(quán)利要求】
1.自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:交換機(jī)在啟動(dòng)時(shí)各自發(fā)送linkup消息來(lái)探測(cè)環(huán)網(wǎng)是否成環(huán)，同時(shí)判斷網(wǎng)絡(luò)中的根交換機(jī)并檢測(cè)自己的成環(huán)端口，link up消息被鄰居交換機(jī)接收處理并轉(zhuǎn)發(fā)最終回到源發(fā)送方；源發(fā)送方檢測(cè)出成環(huán)，發(fā)送通知消息激發(fā)其他交換機(jī)開(kāi)始同樣的探測(cè)過(guò)程；網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)收到通知消息時(shí)發(fā)送link up消息開(kāi)啟自己的探測(cè)過(guò)程，并轉(zhuǎn)發(fā)通知消息，最后通知消息回到發(fā)送方停止轉(zhuǎn)發(fā)；交換機(jī)檢測(cè)出自己是根交換機(jī)后，發(fā)送完成消息，鄰居交換機(jī)收到完成消息后打開(kāi)阻塞的端口并轉(zhuǎn)發(fā)該消息，最后完成消息回到發(fā)送方停止轉(zhuǎn)發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:交換機(jī)在初始化BPDU消息報(bào)文時(shí)將根交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為自己的優(yōu)先級(jí)，根交換機(jī)的mac地址設(shè)置為自己的mac地址,設(shè)置消息的發(fā)出端口并在該端口發(fā)出link up消息,鄰居交換機(jī)收到link up消息的交換機(jī)用自己的優(yōu)先級(jí)與報(bào)文中的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行比較，用自己的mac和報(bào)文中的根交換機(jī)mac地址進(jìn)行比較，如果自己的配置高則進(jìn)行替換，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該消息，該消息回到源發(fā)送方后停止轉(zhuǎn)發(fā)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:自己的配置高則進(jìn)行替換，用自己的優(yōu)先級(jí)替換消息中優(yōu)先級(jí)，用自己的mac地址替換消息中的根交換機(jī)的mac地址，替換完成后，向除接收端口以外所有連接上的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:linkup消息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)回到源發(fā)送方，源發(fā)送方從報(bào)文中讀取出端口，并計(jì)算出報(bào)文的入端口，出端口和入端口就是交換機(jī)參與環(huán)網(wǎng)的成環(huán)端口，比較根交換機(jī)mac和自己mac，若相等則確認(rèn)自己是根交換機(jī)，如果是根交換機(jī)則設(shè)置一個(gè)成環(huán)端口為備份端口，備份端口設(shè)置為阻塞狀態(tài)，另一個(gè)為傳輸端口，傳輸端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，根交換機(jī)發(fā)通知消息和完成消息，非根交換機(jī)發(fā)通知消息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:交換機(jī)的端口在初始化時(shí)設(shè)置為阻塞狀態(tài)，發(fā)出`link up消息，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器，如果定時(shí)器超時(shí)沒(méi)有收到自己發(fā)的link up消息,則把端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I和權(quán)利要求書4所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:交換機(jī)收到通知消息則轉(zhuǎn)發(fā)該消息，同時(shí)發(fā)送link up消息來(lái)確定自己的成環(huán)端口，收到完成消息則把自己的連上的端口狀態(tài)設(shè)置成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，清空mac地址表，轉(zhuǎn)發(fā)完成消息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:交換機(jī)周期性檢測(cè)自己端口的連接狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)有新的端口連上，判斷自己的兩個(gè)環(huán)網(wǎng)端口是否檢測(cè)出來(lái)，如果檢測(cè)出成環(huán)端口，把剛連接上的端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，否則發(fā)送link up消息檢測(cè)鏈路是否成環(huán)；如果發(fā)現(xiàn)有新的交換機(jī)鏈路斷開(kāi)，斷開(kāi)的端口同時(shí)是自己的成環(huán)端口，發(fā)送linkdown消息，通知根交換機(jī)處理，根交換機(jī)收到后，把備份端口設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，清空mac地址表，發(fā)出link down的響應(yīng)消息,源發(fā)送方在收到響應(yīng)消息后停止發(fā)送link down消息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:打開(kāi)交換機(jī)的Q0S，讓本算法的消息報(bào)文在最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，交換機(jī)優(yōu)先處理本算法的消息報(bào)文；配置交換機(jī)限制未知多播和廣播報(bào)文涌入Cpu端口的速度；在交換機(jī)多播地址轉(zhuǎn)發(fā)表中添加一條記錄，記錄的內(nèi)容是算法采用的本算法的消息報(bào)文幀的目的多播mac地址對(duì)應(yīng)的兩個(gè)成環(huán)端口和cpu端P ο
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述自適應(yīng)的以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)算法，其特征是:當(dāng)環(huán)網(wǎng)中存在不支持該算法交換機(jī)時(shí)也能運(yùn)行，環(huán)網(wǎng)中的根交換機(jī)周期發(fā)送hello探測(cè)消息，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器，如果根交換機(jī)超時(shí)沒(méi)有收到hello消息，它假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有故障，設(shè)置備份端口為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，清空mac地址表，發(fā)出更新消息，環(huán)網(wǎng)中的交換機(jī)收到更新消息，清空mac地址表，轉(zhuǎn)發(fā)該消肩、ο`
【文檔編號(hào)】H04L12/933GK103685079SQ201410000956
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】周厚明, 崔磊 申請(qǐng)人:武漢邁威實(shí)達(dá)軟件有限公司