[发明专利]自适应的以太网单环网算法

说明书

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*/