无损环网交换机、无损自愈环网及其数据通讯方法

摘要

本公开涉及一种无损环网交换机，包括：交换逻辑单元以及路由逻辑组件。路由逻辑组件包括数据重组单元、ID学习单元以及路由决策单元，所述ID学习单元学习源无损环网交换机ID，所述数据重组单元为数据帧添加或剥离包含目的地交换机ID、本地交换机ID以及数据帧序列号的路由协议，以及所述路由决策单元将未被登记过的目的地不为本地交换机ID的数据帧仅路由到相对的网络链接端口方向，将未被登记过的目的地为本地交换机ID的数据帧路由到本地无损环网交换机的数据重组单元方向，以及将帧序列号已经被登记过的数据帧丢弃。

说明书

技术领域

本公开涉及一种交换机，尤其是涉及一种无损环网交换机，由这种无损环网交换机构成的无损自愈环网以及无损环网数据通讯方法。

背景技术

目前工业用环网包括有损倒换环网(非零自愈)以及无损倒换环网。无损倒换环网所使用的无损环网交换机，诸如HSR交换机，采用国际标准IEC62439，其利用了PRP(parallel Redundancy protocol平行冗余协议)和HSR(High-availability Seamlessprotocol高性能无缝协议)。有损倒换环网尽管有其固有的优点，但是在对数据有较高技术要求的环境中，由于有损倒换环网不能满足用户要求(例如，存在数据丢失问题)，因此有些工业应用场合采用无损倒换环网。但是，当前的无损倒换环网，即零自愈环网，所采用的交换机的自愈机制是基于以太网源MAC学习机制，利用以太网数据协议中自有的数据包ID达到零自愈传输。这样，当网络上有大量的设备时，就需要大量资源来存储MAC，以及长时间的查找MAC和对比数据包ID，因此，资源受限和查找对比方式大大降低了设备接入量和带宽使用率。这也是导致目前零自愈无损环网交换机的接入设备数量受到限制(通常不超过512)，因此不能应用于大规模使用接入设备的工业场合。

因此，人们期望提供一种能够使得无损环网能够适用于具有大量接入设备的工业场合。

发明内容

为此，本公开提供了一种无损环网交换机，包括：一个或多个设备端口；一对网络链接端口；交换逻辑单元，基于源MAC地址学习机制学习来自所述网络链接端口的数据帧中的源MAC地址并形成MAC地址表中；以及路由逻辑组件，其包括数据重组单元、ID学习单元以及路由决策单元，所述ID学习单元学习从所述网络链接端口之一传送来的数据帧中的路由协议中所包含的源无损环网交换机ID并形成环网中的源无损环网交换机ID表，所述数据重组单元对于从交换逻辑单元发送来的数据帧基于数据帧中的目的地MAC地址查找位于本地的源无损环网交换机ID表以获取该目的地MAC所对应的目的地交换机ID并为该数据帧添加包含所获取的目的地交换机ID、本地交换机ID以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号的路由协议以及为从网络链接端口传送来的数据帧剥离所添加的路由协议，以及所述路由决策单元将路由协议中包含的目的地交换机ID不为本地交换机ID且数据帧序列号未被登记过的数据帧仅路由到与接收数据帧的网络链接端口相对的网络链接端口方向，将路由协议中包含的目的地交换机ID为本地交换机ID且数据帧序列号未被登记过的数据帧路由到本地无损环网交换机的数据重组单元方向，以及将帧序列号已经被登记过的数据帧丢弃。

根据本公开的无损环网交换机，其中所述数据重组单元在所述路由决策单元将数据帧路由到本地无损环网交换机的数据重组单元方向时，剥离所述数据帧中所添加的路由协议后发送给交换逻辑单元。

根据本公开的无损环网交换机，其中所述数据重组单元在来自网络链接端口的数据帧为未被登记的数据帧的情况下，基于所接收到的数据帧的路由协议，重组一个不包含数据内容的阻断包，并且所述由路由决策单元将该阻断包路由到与接收所述数据帧的网络链接端口相对的网络链接端口方向。

根据本公开的无损环网交换机，其中所述路由决策单元基于所接收到的数据帧所包含的源无损环网交换机ID和数据序列号，判断所接收到的数据帧是否已经登记过。

根据本公开的另一个方面，提供了一种由本公开的多个无损环网交换机构成的无损自愈环网。

根据本公开的又一个方面，提供了一种无损环网数据通讯方法，包括：第一用户设备从第一无损环网交换机的用户设备端口经由第一交换逻辑单元发出的第一数据帧；第一无损环网交换机的第一数据重组单元基于第一数据帧中的目的地MAC地址和第一无损环网交换机中的源无损环网交换机ID表采用哈希算法获取该目的地MAC所对应的目的地无损环网交换机ID，为第一数据帧添加包含所获取的目的地无损环网交换机ID、第一无损环网交换机ID以及基于第一无损环网交换机ID生成的数据帧序列号的路由协议，以及将添加协议后的第一数据帧复制一份；由第一无损环网交换机的第一路由决策单元将该第一数据帧及其副本分别路由到该第一无损环网交换机的一对网络链接端口方向；至少一个第二无损环网交换机的第二ID学习单元在通过其成对网络链接端口之一接收到来自第一用户设备的第一数据帧时，基于源地址学习机制，学习第一数据帧的路由协议中所包含的第一无损环网交换机ID并形成环网中的源无损环网交换机ID表；以及至少一个第二无损环网交换机的第二路由决策单元在通过其成对网络链接端口之一接收到来自第一用户设备的第一数据帧时将路由协议中包含的目的地交换机ID不为本地交换机ID且数据帧序列号未被登记过的第一数据帧仅路由到与接收第一数据帧的网络链接端口相对的网络链接端口方向，将路由协议中包含的目的地无损环网交换机ID为第二无损环网交换机ID且数据帧序列号未被登记过的第一数据帧路由到第二无损环网交换机的第二数据重组单元方向，以及将帧序列号已经被登记过的第一数据帧丢弃。

根据本公开的无损环网数据通讯方法，还包括：在所述第二路由决策单元将第一数据帧路由到第二数据重组单元方向时，第二数据重组单元剥离第一数据帧中所添加的路由协议后发送给第二无损环网交换机的第二交换逻辑单元。

根据本公开的无损环网数据通讯方法，还包括：随着所述第二路由决策单元将目的地无损环网交换机ID为第二无损环网交换机ID的第一数据帧路由到第二数据重组单元方向，第二数据重组单元基于所接收到的第一数据帧的路由协议，重组一个不包含实质数据内容的阻断包，并且将该阻断包路由到与接收第一数据帧的网络链接端口相对的网络链接端口方向。

根据本公开的无损环网数据通讯方法，还包括：第二ID学习单元在第一数据帧的数据帧序列号未被登记过时，将第一数据帧的数据序列号与第一无损环网交换机ID相关联地登记在数据帧序列号登记表中。

通过采用本公开的无损环网交换机，由于其仅仅针对数据帧进行源交换机ID的学习，并核对目的地交换机ID和源交换机数据帧序列号的对，因此，极大地降低了交换机进行数据交换速度，因为，在环网上的交换机的数量远小于接入设备的数量，因此根据本公开的单台无损环网交换机的MAC数可以达到16K以上的程度(相当于单个交换机芯片的容量)。其传输速率可以达到线速(线路设计速度)的90％以上。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示为根据本发明的实施例的无损环网交换机的原理示意图。

图2所示的是根据本公开的无损环网交换机对本地源发数据帧的处理过程流程图。

图3所示的是根据本公开的无损环网交换机对来自网络链接端口的数据帧的处理过程流程图。

图4所示的是由根据本公开的无损环网交换机构成的无损环网的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一交换机也可以被称为第二交换机，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

图1所示为根据本发明的实施例的无损环网交换机100的原理示意图。如图1所示，无损环网交换机100(为方便描述，下面将本公开的无损环网交换机简称为“NET交换机”)，包括：一个或多个设备端口C、路由逻辑组件110以及交换逻辑单元120。路由逻辑组件110与交换逻辑单元120之间采用单通道或多通道方式实现数据交互。

所述路由逻辑组件110包含有至少一对网络链接端口，即传输通道A和B。所述交换逻辑单元120与一个或多个设备端口C相连，所述设备端口C与用户设备相连。用户设备生成数据帧，并将数据帧经由该端口C发送到交换逻辑单元120。交换逻辑单元120基于源地址学习机制学习从外部接收到的源设备的MAC，并形成所接收过的数据帧的源设备MAC地址表，并按照常规的老化机制进行MAC地址表的更新。该MAC地址表与常规交换机中的MAC地址表类似，例如包含有MAC地址和端口号。

所述路由逻辑组件110包含有ID学习单元111、路由决策单元112以及数据重组单元113。交换逻辑单元120将所接收到的用户数据帧传送到路由逻辑组件110。交换逻辑单元120所发出的数据帧将包含有常规交换机所发出的数据帧的路由协议。为了将不同交换机所发出的数据帧区分开来，本公开的交换机的数据重组单元113会为将从其所属的无损环网交换机发出的数据帧添加基于该无损环网交换机100的ID生成的数据帧序列号。因此，在包含本公开的无损环网交换机的环网上传输的数据帧都包含有与其源交换机的ID相关联的数据帧序列号。而且，数据重组单元113还会将要发出的数据帧添加一层路由协议，所添加的一层路由协议将包含本地无损环网交换机的ID，即源交换机ID。

所述ID学习单元111基于源地址学习机制，对来自网络链接通道A或B，也就是传输通道A或B的数据帧进行源交换机ID的学习，形成源交换机ID表。表1所示的是一种源交换机ID表的例子。

表1：

具体而言，对于来自网络链接端口的数据帧，基于其源MAC地址，采用各种算法，例如哈希算法(如果有其它算法，也可以继续举例)等，获得每个MAC地址的索引，并将该索引、MAC辨识字段、源交换机ID以及相应的属性等等相关联地存储在上述表1中。

为此，当本地用户设备要与某个用户设备进行通讯时，在原始数据帧的初始路由协议中会包含该用户设备的MAC地址作为目的地MAC地址。当数据重组单元113接收到该数据帧时，同样会基于该数据帧中的目的MAC地址，采用同样的算法，例如，哈希算法，获取其对应的索引，并基于该索引在上述源交换机ID表中查找到该目的MAC地址所属或所对应的源交换机ID，并在所添加的一层路由协议中包含所查找到的交换机ID作为目的地交换机ID。该源交换机ID可以采用现有的MAC地址表的老化机制进行更新。

因此，数据重组单元113为所要发送的数据帧添加一层路由协议中将包含有数据重组单元113所属的无损环网交换机ID(作为源交换机ID)、数据帧内的目的地MAC地址所属的无损环网交换机ID(作为目的交换机ID)以及基于源交换机ID生成的数据帧序列号。

ID学习单元111还会登记对来自网络链接通道A或B，也就是传输通道A或B的数据帧的数据帧序列号，形成与源交换机ID相关联的数据帧序列号表。具体而言，对于在现有数据帧序列号表中没有的数据帧的序列号，则判断为新接收的数据帧，并将其数据帧序列号登记在数据帧序列号表，从而更新该数据帧序列号表。下表表2显示了这种数据帧序列号表的例子。

表2

尽管在本公开中将表1和表2的学习与更新都由ID学习单元111来处理，也可以由不同的单元处理。尽管表2被单独进行说明，但是表2的内容也可结合在表1中，只形成一个学习表。

因此，当根据本公开的交换机100要发送一个数据时，经过数据重组单元113基于数据帧目的地MAC添加一层路由协议进行重组后，会形成新的数据帧，该新的数据帧的结构例子如表3：

表3

在原有数据帧被添加一侧路由协议之后，其依然包含有其自身原有的数据和原始路由协议数据，还可以包含其他用户协议。

图2所示的是根据本公开的无损环网交换机100对本地源发数据帧的处理过程流程图。如图2所示，首先在步骤S210处，交换逻辑单元120发出原始数据帧，随后数据重组单元113基于数据帧中的目的地MAC地址基于哈希算法在表1中查找该目的地MAC所对应的交换机ID，并基于本地交换机ID生成与源交换机ID相关联的数据帧序列号。随后在步骤S230处，对待发送的数据帧进行重组，即添加一层路由协议，即包含源交换机ID、目的交换机ID的路由协议，并且添加基于源交换机ID生成的数据帧序列号。基于源交换机ID生成的数据帧序列号也可作为路由协议数据字段直接包含在路由协议中进行添加。在进行重组后，就将重组后的数据复制一份，发送到路由决策单元112。在步骤S240处，路由决策单元112将重组后数据帧以及其副本路由到成对网络链接端口A和B的方向，以便发送到环网链路中。

需要指出的是，如果该发出的数据帧为广播数据帧或组播数据帧，该数据帧所添加的路由协议字段中的目的地交换机ID采用常规方式处理为全F。当然，也可以采用其他标识来表示目的地交换机ID以表明该数据帧为广播帧。尽管上述路由协议添加在数据帧的头部，但是路由协议的长度和添加位置可以根据应用任意设置。

图3所示的是根据本公开的无损环网交换机100对来自网络链接端口的数据帧的处理过程流程图。如图3所示，首先，在步骤S310处，根据本公开的无损环网交换机100接收来自来自网络链接端口A或B的数据帧。随后，在步骤S320处，ID学习单元111基于源地址学习机制学习数据帧的源交换机ID，并采用哈希算法将该数据帧中的源MAC和源交换机ID进行匹配，获得源交换机ID表。随后，在步骤S330，该ID学习单元111获取该数据帧中与源交换机ID相关联的数据帧序列号，并查询上述表1，核对该该数据帧是否被登记过。如果被登记过，则路由决策单元112则不对该数据帧进行任何路由处理并丢弃该数据帧。如果没有登记过，则在步骤S340处，该ID学习单元111将该新的数据帧序列号与源交换机ID相关联地登记在上述表2中。随后，在步骤S350处将数据帧的目的地交换机ID与本地交换机ID进行核对，判断是否相同。一方面，如果目的地交换机ID与本地交换机ID相同，则路由决策单元则将数据路由发送到数据重组单元113，以便在步骤S380处由数据重组单元113剥离该数据帧所添加的一侧路由协议，从而将数据帧发送到交换逻辑单元120，最后在步骤S395处，由本地用户设备接收。与此，同时，在步骤S390处，由数据重组单元113基于该数据帧原始路由协议重组一个阻断包，即一个仅仅包含路由协议的空数据包。然后，在步骤S370处将该阻断包路由到与接收该数据帧的网络链接端口相对的另一个网络链接端口。另一方面，如果目的地交换机ID与本地交换机ID不同，则在步骤S360处判断该数据帧是否为广播帧。如果为广播帧，也同样执行上述步骤S380和S370处的操作。

尽管上面按照顺序对步骤S330-360进行了描述，但是这并不是固定的顺序，或者说，彼此之间没有先后顺序关系。此处后描述的判断也会以先判断的结果为判断条件，例如，可以直接判断数据帧是否为广播帧，而不需要以判断其目的地交换机ID是否为本地交换机ID为前提。同样，判断是否为已经登记过的数据帧也不成为判断其目的地目的地交换机ID是否为本地交换机ID的前提。而且，这些判断过程可以同时进行，而不会受到任何影响。

通过上述对NET交换机100针对来自网络链接端口A或B的数据的处理，可以获知，交换机在进行数据路由时，仅仅需要学习源交换机ID，并形成较小数量的交换机ID学习表，并且在进行路由时仅仅需要核实其目的地交换机的ID和该源交换机ID下的数据帧的序列号。因此，交换机在进行数据交换交换过程中，尤其是转发过程中进行数据核实和目的地地址的过程所遍历的目的地址表很小，所花费的时间更短，从而加快的数据的交换过程。因此，环网上设备的数量将不会像现有的环网上的用户设备数量的限制，环网上能够连接的用户设备将会得到几何级的增加，从而扩大了工业环网的应用规模。

而且，与本地交换相关联的交换逻辑单元120依然可以保有现有环网的路由协议，其仅仅学习与其通信的其他交换机端口的MAC地址，因此不需要学习仅仅经过该交换机而不需要下载到本地用户设备的数据帧中所包含的目的地设备的MAC地址，也就是不需要学习整个环网上的所有用户设备MAC地址，因此，其MAC地址表也将极大地缩小，仅仅需要在其MAC地址表中存储实际使用过程的源MAC地址，提高的数据交换的速度。

图4所示的是由根据本公开的无损环网交换机100构成的环网的示意图。如图4所示，为简便起见，该环网400仅仅包含了四个无损环网交换机100-1、100-2、100-3以及100-4。传统零自愈无损环网交换机，源设备发出一包，传输路径短优先到达目标设备的数据包被目标设备接收，而传输路径长的数据包仍然要在网络中传输到目标设备进行判断是否需要丢弃。这样该数据包的传输就覆盖了整个环网网络，当数据包、数据量很大时，就降低了环网网络的带宽使用率。而如图4所示的环网上，当连接在第一无损环网交换机100-1上的第一用户设备(即源设备)发出第一数据帧时，经由其上的第一路由决策单元112进行双向路由发送到第二无损环网交换机100-2和第四无损环网交换机100-4。第二无损环网交换机100-2或第四无损环网交换机100-4在确定该第一数据帧的目的地交换机ID不是为第二本地交换机的ID时，将第一数据帧转发到无损环网交换机100-2和100-4之间的其他交换机，例如第三无损环网交换机100-3；如果第二无损环网交换机100-2或第四无损环网交换机100-4在确定该数据帧的目的地交换机ID是第二无损环网交换机100-2或第四无损环网交换机100-4的ID时，将第一数据帧直接下载到本地设备。通常源设备发送的数据帧都会比较大。如果在第二无损环网交换机100-2已经接收到从一个方向传输来的第一数据帧的情况下，在另一个方向上传输的重复第一数据帧会在目的地交换机接收到后被丢弃。这种重复数据帧的传输过程就会过多占据环网的传输时间。

为了缩短重复的第一数据帧占用环网的传输时间，本公开特别提出了一种提前截止重复的第一数据帧继续传输的方法。举例而言，当在第一数据帧的目的地交换机ID为第二无损环网交换机的ID并且为第一次收到该数据帧时，如图4所示，第二数据重组单元113立即基于所接收到的数据帧的路由协议，重组一个不包含实质数据内容的阻断包，并且第二路由决策单元将该阻断包路由到与接收该从网络链接端口接收的数据帧的网络链接端口相对的网络链接端口方向。由于该阻断包不包含有原数据帧的实质数据内容，主要包含路由协议数据和数据帧序列号。因此该阻断包的大小通常会只有60字节左右，远远小于原数据帧的大小(例如500字节)。因此该阻断包将会以更快的速度向与重复的第一数据帧传输方向的相对方向传送。由此，当第二无损环网交换机100-3先收到阻断包的情况下，由于在该交换机100-3已经接收到了包含有原数据帧的路由信息的阻断包，因此，当再次接收到第一数据帧的副本时，路由决策单元112会判断该交换机已经转发过该数据帧而在第三无损环网交换机100-3处丢弃该重复数据帧，由此，消除了重复的第一数据帧被第三无损环网交换机100-3转发到其与第二无损环网交换机100-2之间的链接通道上，由此缩短了重复的第一数据帧占用传输通道的时间，因此提高了环网使用效率。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，对本领域的普通技术人员而言，能够理解本公开的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本公开的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。

因此，本公开的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本公开的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本公开，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本公开。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。

还需要指出的是，在本公开的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。