CN103685079A - 自适应的以太网单环网算法 - Google Patents

Abstract

自适应的以太网单环网算法，算法运行在二层交换机上。本算法设计特殊BPDU报文，BPDU报文中的linkup消息在环网中转发比较来确定环网中的根交换机和环网的两个端口。交换机在启动时和发现端口连上时，发linkup消息来判断成环的端口和根交换机；收到自己的linkup消息，计算两个成环端口，判断自己是否是根交换机，如果是根交换机发出完成消息和通知消息，如果不是发通知消息。收到通知消息后转发该消息，发送linkup消息确定自己的环网端口；收到完成消息，设置连接上的端口为转发状态，清空mac地址表，转发该消息。交换机定时扫描连接变化，发现成环的端口掉线，发出linkdown消息，根交换机处理该消息并发送响应消息。

Description

自适应的以太网单环网算法

技术领域

本发明为自适应的以太网单环网算法属于网络通信领域。具体涉及一种在以太网交换机上运行的软件算法。

背景技术

现代工业通讯环境中采用以太网作为传输网络越来越普遍，工业通讯对数据传输的稳定性和可靠性要求很高，以太网交换机为基础构建的工业通讯网络必须做出一定的改进来满足这种要求。本发明设计自适应以太网单环网算法来保证通讯的稳定性和可靠性。自适应的以太网单环网算法工作在数据链路层，主要在交换机上运行，支持交换机之间的单环形拓扑结构，使用交换芯片的特定功能和本发明提供的算法使交换机物理上的环形拓扑结构转换成逻辑上的线性拓扑结构。

交换机是构建以太网的核心网络设备，交换机之间一般直接采用线性连接，但是线性连接有个缺点：当线性连接中有一条线路故障将导致整个网络通讯中断。工业环境中交换机可采用环形拓扑结构连接，避免其中的一条线路故障导致的网络瘫痪。采用环形拓扑结构连接的交换机一般采用私有环网协议和标准RSTP协议，标准RSTP协议具有冗余备份和链路切换功能，不过链路切换的时间在几秒到几十秒之间，自愈时间太长不能满足工业要求。私有环网协议需要管理员设置根交换机和设置成环端口，使用上不便捷。如果操作员误连错误，交换机端口会造成网络风暴。

为了克服传统RSTP协议自愈时间太长的缺点，本发明提出自适应的以太网单环网算法，本算法支持环形拓扑结构，具有冗余备份和链路切换功能，可以自动选择交换机的成环端口，同时自动选择或按照管理员的设置选择环网中一台交换机作为根交换机。根交换机执行冗余备份和链路切换功能，在连接变化和网络重新连接时智能的重新选择成环端口和根交换机，同时网络断开的切换时间和连接恢复后的自愈时间在20ms以内。

发明内容

本发明需要用到交换机的交换芯片的特定功能，包括：交换机的端口状态、交换机的连接状态和BPDU（桥接管理帧）。现在交换芯片大部分都支持这些功能，比如马维尔公司的6095F、6061F等芯片，博通公司的BCM53242、BCM53262等芯片。交换机的端口状态通常有四种：转发状态、阻塞状态、禁用状态、学习状态。本发明使用其中的两种：转发状态和阻塞状态，转发状态允许所有的数据帧通过，阻塞状态只允许BPDU通过，其他报文不允许通过。BPDU是交换机的一种特定的报文，它作用是管理交换机的连接，BPDU可以被处于阻塞状态的交换机端口收发处理，可以用它实现具体的网络协议。BPDU可以指定报文的出端口，分析BPDU可以得到报文的入端口。本发明应用BPDU的出端口和入端口来计算交换机的参与环网的成环端口，用BPDU消息的收发处理来完成算法主要功能。在实际网络中除了BPDU消息的数据通信外，大量的是普通的数据流，这些数据流很多需要占用cpu的处理时间，BPDU消息的重要性高于普通数据流，如果BPDU的数据流没有及时处理会造成网络风暴，所以需要优先处理BPDU的数据，打开交换机的QOS功能，让BPDU数据在最高优先级队列中，交换机优先处理BPDU。

本发明设计一种特殊的BPDU帧，包含交换机的出端口、交换机的优先级、根交换机的mac地址等信息。该BPDU帧可以用下面的数据结构表达，其中des_mac是算法采用的特殊的组播目的地址，交换机在收到该特殊组播目的地址的数据帧后直接转发到交换机的CPU处理。source_mac为发包交换机的mac地址，具有唯一性；bcm_type为交换芯片的类型，每个厂家各不一样；bcmt_tag字段可以规定数据帧的出端口和BPDU数据帧的优先级，同时交换机收到BPDU帧后交换芯片修改它，修改后的字段中包含帧的入口信息；cmd为消息的类型，用以区分不同作用的各种消息；id为交换机的优先级标示；depth表明数据帧经过的交换机的个数；out_port指出数据出端口；root_mac为环网中根交换机的mac地址；reserve_data为保留区域，可在以后扩充。对于特定的交换芯片而言，bcm_type，bcm_tag这两个字段的位置和大小可能不一样，需要开发者按照芯片的说明进行修改，下面的结构体可以支持博通公司的BCM53242、BCM53262芯片。

typedef struct 

{

       unsigned char      des_mac[6];     /*发送的目的mac地址*/

       unsigned char      source_mac[6];    /*发送的源mac地址*/

       unsigned short     bcm_type;    /*交换芯片的类型*/

       unsigned int     bcm_tag;     /*发送和接收的交换机端口号*/

     unsigned char      cmd;      /*消息的类型*/

       unsigned char   depth;   /*深度，和根交换机的距离*/

       unsigned char   out_port;      /*出端口*/

    unsigned char   id;        /*交换机的优先级*/

       unsigned char      root_mac[6]; /*根交换机mac地址*/

       unsigned char      reserve_data[128];/*保留数据以后扩充采用*/

}PACKED MSRSTP_BPDU_PKT_EX;

交换机启动本发明算法时，算法设置所有的交换机端口为阻塞状态来只允许BPDU数据帧通过，然后填充BPUD帧的各个字段，设置出端口out_port和交换机的优先级id，将root_mac设置为交换机自己的mac，将根交换机的优先级设置为自己的优先级，depth设置为0，cmd设置为link up消息（该消息用于选举根交换机）。从指定的出端口out_port发出link up消息的BPDU帧，刚开始遍历交换机所有连接上的端口并发出link up消息，该消息封装在BPDU帧中，同时交换机打开超时定时器，该定时器用于处理交换机超时一定时间后没有收到自己发出的link up消息后的情况。交换机初始化的端口状态如图1所示。

邻居交换机收到link up消息后首先判断交换机的优先级id，如果自己优先级id小则替换接收消息的root_mac为自己mac地址，id替换为自己的id。如果id标示相等，则比较root_mac和自己的mac地址，如果自己的小，则替换root_mac为自己的mac。如果比较发现自己的id标示大，或者id标示一样但是自己的mac地址比root_mac大，那么不替换。然后把经过处理的报文从已连接的除进入端口外的所有端口发出去。其他交换机做类似的处理，接收link up消息报文进行比较，满足一定的条件就修改报文，从连接上的端口转发。交换机的处理link up消息的过程如图2所示。

按照上述步骤，如果网络是环形拓扑结构，消息最终会回到源发送方，源发送方收到消息后，比较source_mac和自己的mac地址是否相等，若相等则证实该消息就是自己发出的，然后从bcm_tag解析出入端口，从out_port得到报文的出端口，这样交换机就得到了自己参与环网拓扑结构的两个端口。同时开始比较报文的root_mac和自己的mac是否相等，如果相等，则自己被选中为根交换机。根交换机比较报文中的出端口out_port和从bcm_tag解析出的入端口，两者中小的一方被设为传输端口，大的一方被设为备份端口，然后将传输端口设置为转发状态，备份端口保持阻塞状态，然后发出通知消息，通知其他交换机现在网络已经检测成环，最后发出完成消息，通知其他交换机网络中的根交换机已经选择出来了。根交换机的选择过程和环网端口的计算过程如图3所示。如果比较报文的root_mac和自己的mac不相等，判断出网络已经成环，但是自己不是根交换机，此时发出通知消息，通知其他交换机已检测出网络成环。

环网中其他交换机收到发来的通知消息后，首先得知网络已经成环，并填充link up消息，从刚才接收通知消息的端口发出link up消息来确定自己的两个成环端口，同时转发该通知消息，该通知消息循环一周回到源发送方后停止转发。交换机收到完成消息时，它知道环网已成环根交换机也确定，于是把处于连接状态的端口的状态设置为转发，然后转发该消息。完成消息最后回到根交换机停止转发。上述通知消息在环网中流动过程如图4所示，完成消息在环网中的流动过程如图5所示。

交换机在启动本发明算法时，阻塞所有的端口并发送link up消息来判断根交换机和计算成环端口，同时会开启超时定时器，周期性发送link up消息来探测，在网络没有成环情况下，定时器如果超时没有收到自己的link up消息则会把阻塞的端口的状态设置为转发，同时停止发送link up消息。

交换机周期性检测端口的连接变化，如果发现有新连接上的端口，首先交换机判断网络之前是否是成环的状态，如果是成环状态，就把新连接上的端口设置为转发状态，否则把该端口设置阻塞状态；打开超时定时器然后周期性发送link up消息来检测成环，若超时没有收到自己发出的link up消息则把阻塞端口重新设置为转发状态，停止发送link up消息，以上所有过程周期性进行。若发现其中一个成环端口的链接掉线或者故障，设置掉线或出故障的端口的状态为阻塞状态，然后在另外一个成环端口发link down 消息，清除自己的以前检测出来的两个成环端口。收到link down消息的交换机首先判断自己是不是根交换机，如果不是根交换机，清除自己的成环端口，转发该消息，同时清空mac地址表。如果是根交换机，打开自己阻塞的备份端口，清空mac地址表，然后发link down的响应消息。根交换机和其他交换机不同，它不转发link down消息，它是link down消息的终点。link down 消息的处理过程如图6所示。交换机收到link down消息的响应消息，判断自己是否是link down消息的源发送方，如果不是则转发该消息，如果是则停止转发。检测出掉线或故障的交换机保持在每次扫描周期送一次link down消息，直到收到根交换机的link down消息的响应消息。

上文介绍的算法的执行过程需要环网中所有交换机支持，如果环网中有交换机不支持，则有一种加强方案。首先按照BPDU帧的特征，它是一种目的地址为多播地址的帧，对多播地址默认处理是向所有口转发，所以不支持该算法的交换机将透传本发明设计的所有消息，支持该算法的交换机可以通过link up消息正确的选择出根交换机并计算出成环端口。环网中的根交换机周期发送hello探测消息，网络中非根交换机如果支持本发明算法则收到hello探测消息后转发该消息，环网中不支持本发明算法的交换机透传hello消息，所以如果环网是连通成环的状态，即使有不支持发明算法的交换机存在，hello探测消息最终也可以回到根交换机。根交换机同时打开定时器，等待收到自己的hello探测消息，如果超时没有收到hello探测消息，根交换机假设网络有故障，设置备份端口为转发状态，清空mac地址表，发出更新消息，环网中的交换机收到更新消息，清空mac地址表，转发该消息。

为了加快环网在交换机线路故障和掉线时的自愈时间，在交换机多播地址转发表中添加一条记录，记录的内容是算法采用的BPDU帧的目的多播mac地址对应的两个成环端口和cpu端口。交换芯片按照这条记录进行硬件转发数据帧，其速度远远快于通过cpu的软件转发速度，交换机在一个成环端口收到link down消息被交换芯片同时转给cpu端口和另外一个成环端口。

本算法作为交换机后台的一个高优先级服务运行，它周期性检查交换机是否存在连接变化的端口，是否有新连上的端口；同时若没有发现网络成环，就发送link up消息进行探测网络的连通性（link up循环一周可以选择出根交换机和计算出成环的交换机端口）；交换机探测出成环后，发送通知消息，邻居交换机收到通知消息后激发自己发送link up消息来探测自己的两个成环端口。总之：网络中的交换机各自检测自己的成环端口，一台交换机检测出成环以后，通过发送通知消息激发其他交换机开始同样的过程，发现新链接触发的各类消息如图7所示。

本算法的有益效果是：无需管理人员进行任何配置就可以在环网中自动的选择一个交换机作为根交换机，同时还选择出参与环网的两个端口，和其他许多公司的单环网方案比较具有配置简单灵活的特定，因为有许多环网实现方案都需要管理人员手动选择根交换机，或者需要管理人员手动指定成环的两个端口，当管理人员在线路拔插的时候如果弄错了环网端口就造成网络风暴，如果根交换机故障会造成通讯故障。本发明可以使用缺省的优先级，环网中的交换机按照mac地址唯一性选举根交换机，避免了根交换机故障带来的通讯风险，同时两个环网端口也是自动计算出来的避免了操作失误带来的网络风暴故障。同时本算法在网络断开的自愈时间在毫秒级别比RSTP协议快，所需的计算量和复杂度都小于RSTP协议。

附图说明

图1 初始化时交换机的状态

图2 交换机处理link up消息的步骤

图3 根交换机的选择过程和环网端口的计算过程

图4 环网中通知消息的流动过程

图5 环网中成环消息的流动过程

图6 环网中link down消息的流动过程

图7 发现新链接触发的各类消息

具体实施方式

本发明的算法主要在交换机上执行，需要选择适当的交换机芯片，比如马维尔公司的6095F、6061F等芯片，博通公司的BCM53242、BCM53262等芯片。该芯片必须具备BPDU管理帧，需要编写特定的网络驱动程序处理BPDU管理帧。BPDU管理帧和普通数据帧不同，网络驱动可以同时处理这两种不同的数据帧。优化网络提高BPDU数据帧的优先级，打开交换机的QOS功能，设置它的优先级最高。同时为了保证cpu有足够的时间和资源处理BPDU帧，可以配置交换机限制未知多播和广播报文涌入cpu端口的速度。

交换机初始化的时候所有端口在阻塞状态，发送link up消息，如果定时超时没有收到自己发送消息，则把所有的连接上的端口设置转发状态。如果交换机收到该消息，记录两个成环端口，判断自己是否是根交换机，如果不是根交换机打开自己非成环的连接上的端口，发送通知消息，否则如果判断本交换机是环网中的根交换机则发送完成消息，并选择一个传输端口，一个备份端口，传输端口设置为转发状态，备份端口设置为阻塞状态，发送通知消息和完成消息，该消息用于通知环网中交换机已经选择出根交换机，接收到完成消息的交换机清空mac地址表，发送link up消息来探测自己的成环端口。然后交换机周期性检测链路变化并进行相应处理。

在实验环境中发送95%流量的数据帧，该数据帧混合5%广播，50%单播，40%组播，通过丢包率进行测试，结果表明在上述的软硬件设置情况下，在4台交换机组成单环网，其中拔下和插上网线各100次，测试所有200次的自愈时间，采用本发明的算法可以达到15ms的平均自愈时间。

以上所述内容，只是本发明的一个具体的实例，并不仅用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的原创范围以内的任何修改，等价替换，改进和任何参数调整，都应包含在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.自适应的以太网单环网算法，其特征是：交换机在启动时各自发送link up消息来探测环网是否成环，同时判断网络中的根交换机并检测自己的成环端口，link up消息被邻居交换机接收处理并转发最终回到源发送方；源发送方检测出成环，发送通知消息激发其他交换机开始同样的探测过程；网络中的交换机收到通知消息时发送link up消息开启自己的探测过程，并转发通知消息，最后通知消息回到发送方停止转发；交换机检测出自己是根交换机后，发送完成消息，邻居交换机收到完成消息后打开阻塞的端口并转发该消息，最后完成消息回到发送方停止转发。

2.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：交换机在初始化BPDU消息报文时将根交换机的优先级设置为自己的优先级，根交换机的mac地址设置为自己的mac地址，设置消息的发出端口并在该端口发出link up消息，邻居交换机收到link up消息的交换机用自己的优先级与报文中的优先级进行比较，用自己的mac和报文中的根交换机mac地址进行比较，如果自己的配置高则进行替换，同时转发该消息，该消息回到源发送方后停止转发。

3.根据权利要求1和权利要求2所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：自己的配置高则进行替换，用自己的优先级替换消息中优先级，用自己的mac地址替换消息中的根交换机的mac地址，替换完成后，向除接收端口以外所有连接上的端口进行转发。

4.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：link up消息经过转发回到源发送方，源发送方从报文中读取出端口，并计算出报文的入端口，出端口和入端口就是交换机参与环网的成环端口，比较根交换机 mac和自己mac，若相等则确认自己是根交换机，如果是根交换机则设置一个成环端口为备份端口，备份端口设置为阻塞状态，另一个为传输端口，传输端口设置为转发状态，根交换机发通知消息和完成消息，非根交换机发通知消息。

5.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：交换机的端口在初始化时设置为阻塞状态，发出link up消息，同时打开定时器，如果定时器超时没有收到自己发的link up消息，则把端口设置为转发状态。

6.根据权利要求书1和权利要求书4所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：交换机收到通知消息则转发该消息，同时发送link up消息来确定自己的成环端口，收到完成消息则把自己的连上的端口状态设置成转发状态，清空mac地址表，转发完成消息。

7.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：交换机周期性检测自己端口的连接状态，如果发现有新的端口连上，判断自己的两个环网端口是否检测出来，如果检测出成环端口，把刚连接上的端口设置为转发状态，否则发送link up消息检测链路是否成环；如果发现有新的交换机链路断开，断开的端口同时是自己的成环端口，发送link down消息，通知根交换机处理，根交换机收到后，把备份端口设置为转发状态，清空mac地址表，发出link down的响应消息，源发送方在收到响应消息后停止发送link down消息。

8.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：打开交换机的QOS，让本算法的消息报文在最高优先级队列，交换机优先处理本算法的消息报文；配置交换机限制未知多播和广播报文涌入cpu端口的速度；在交换机多播地址转发表中添加一条记录，记录的内容是算法采用的本算法的消息报文帧的目的多播mac地址对应的两个成环端口和cpu端口。

9.根据权利要求1所述自适应的以太网单环网算法，其特征是：当环网中存在不支持该算法交换机时也能运行，环网中的根交换机周期发送hello探测消息，同时打开定时器，如果根交换机超时没有收到hello消息，它假设网络有故障，设置备份端口为转发状态，清空mac地址表，发出更新消息，环网中的交换机收到更新消息，清空mac地址表，转发该消息。

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