一种抑制车载网络广播风暴的方法

摘要

本发明公开了一种抑制车载网络广播风暴的方法，该方法包括：将车载网络中第一中央网关的第一物理端口与第二中央网关的第一物理端口相连；将车载网络中第一中央网关的第二物理端口和第二中央网关的第二物理端口与区/域网关相连构成环形网络结构；将第一中央网关的其他物理端口、第二中央网关的其他物理端口以及区/域网关的其他物理端口与车载网络中的电子控制器相连；基于第一预设转发策略，阻断通过第二中央网关的第一物理端口向第二中央网关的输出端口转发的广播帧；基于第二预设转发策略，阻断通过第一中央网关的第一物理端口向第一中央网关的输出端口转发的广播帧。该方法不需要生成树，减少了初始化时间；当车载网络中增加或减少区/域网关时，均不影响两个中央网关建立的虚拟闸门。

说明书

技术领域

本发明涉及车载网络技术领域，具体地，涉及一种抑制车载网络广播风暴的方法。

背景技术

近年来，随着车联网以及自动驾驶技术的迅速发展，大量的数据交互和数据的安全传输对车载网络提出了越来越高的要求。由于传统的车载网络(CAN，FlexRay等)所能承担的负载不能满足大量的数据交互和数据的安全传输的要求，因此一种新型的车载网络——车载以太网应运而生。根据车载以太网的应用场景，车载网络的结构可以为中央网关—区/域网关—电子控制器(ECU)。为了增加网络通信的承载性和安全性，中央网关和区/域网关之间可能构成环形网络结构，形成冗余，当一条链路故障时，保证另外一条链路能够继续传输数据。虽然环形网络结构能够提供通信通道的冗余，但是会带来一个严重的问题——广播风暴，即交换机或网关接收到广播帧时，会向它输入端口以外的所有的端口转发广播帧。当环形网络上某一个节点发送广播时，数据会在环形网络结构上一直循环，导致网络带宽被广播风暴耗尽，正常的数据无法发送。

目前抑制环形网络结构的方法主要是STP生成树，通过STP协议，环形网络结构上的网关或者交换机选举出根桥(根网关)，计算非根桥到根桥的最短路径并分配端口角色类型。每个网关或者交换机默认自己为根桥，每个交换机广播接收到的BPDU(BridgeProtocol DataUnit，网桥协议数据单元)和发送自身的BPDU，通过BPDU泛洪，可以获知BID(Bridge ID，网桥ID)最小的交换机，该交换机即被选为根桥，其他交换机即为非根桥。每个交换机的端口可以分为指定端口，非指定端口及根端口，指定端口可以进行数据转发，非指定端口不进行数据转发，根端口用于非根桥网关和根桥之间数据转发。根桥的所有端口均为指定端口，根端口存在于非根桥网关上，每个非根桥网关只有一个根端口。根端口依据当前非根桥交换机到根桥交换机的最小路径开销选定。根端口选定之后，将剩下的端口配置为指定端口或者非指定端口。交换网络中的每个网段只能有一个指定端口。当两个非根端口的交换机端口连接到同一个网段时，会发生竞争端口角色的情况，BID小的交换机端口为指定端口，最终完成逻辑无环生成树。如图1所示，交换机A、B和C中A的BID最小，因此A被选举为根桥交换机，B和C为非根桥交换机。端口B1和C1分别是交换机B和C到根桥交换机路径代价最小的端口，因此B1和C1为根端口。B2和C3连接至局域网2上，由于B2的BID小于C3的BID，B2为指定端口，C3为非指定端口，即C3端口被阻塞。由此产生逻辑无环生成树。

现有技术中要求车载网络上的所有交换机均支持STP协议，而在车规Switch芯片中，受成本因素影响，中低端的芯片并不支持STP，无法完成生成树，并且，STP算法逻辑十分复杂，在初始化时需要经过较长时间的初始化。此外，当网络拓扑结构中有新增的节点或者原网络中某些端口故障时，需要重新产生生成树，而生成树需要耗费较长的时间，对网络通信的实时性造成较大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制车载网络广播风暴的方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制车载网络广播风暴的方法，所述方法包括：

将车载网络中第一中央网关的第一物理端口与第二中央网关的第一物理端口相连；

将车载网络中第一中央网关的第二物理端口和第二中央网关的第二物理端口与区/域网关相连构成环形网络结构；

将所述第一中央网关的其他物理端口、所述第二中央网关的其他物理端口以及所述区/域网关的其他物理端口与车载网络中的电子控制器相连；

基于第一预设转发策略，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧；

基于第二预设转发策略，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧。

进一步的，所述基于第一预设转发策略，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧包括：

所述第二中央网关检测是否接收到所述第一中央网关的第一物理端口发送的广播帧；

当所述第二中央网关接收到所述第一中央网关的第一物理端口发送的广播帧时，判断所述广播帧的输入端口是否是所述第二中央网关的第一物理端口；

若所述广播帧的输入端口是所述第二中央网关的第一物理端口，判断所述广播帧的输出端口的端口号是否大于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号；

若所述广播帧的输出端口的端口号大于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧。

进一步的，所述基于第一预设转发策略，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧包括：

所述第二中央网关检测是否接收到所述第一中央网关的第一物理端口发送的广播帧；

当所述第二中央网关接收到所述第一中央网关的第一物理端口发送的广播帧时，判断所述广播帧的输入端口是否是所述第二中央网关的第一物理端口；

若所述广播帧的输入端口是所述第二中央网关的第一物理端口，判断所述广播帧的输出端口的端口号是否小于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号；

若所述广播帧的输出端口的端口号小于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧。

进一步的，所述方法还包括：

若所述广播帧的输入端口不是所述第二中央网关的第一物理端口，向所述第二中央网关的其他物理端口转发所述广播帧。

进一步的，所述方法还包括：

若所述广播帧的输出端口的端口号不大于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号，向所述第二中央网关的其他物理端口转发所述广播帧，或者，

若所述广播帧的输出端口的端口号不小于所述第二中央网关的第一物理端口的端口号，向所述第二中央网关的其他物理端口转发所述广播帧。

进一步的，所述基于第二预设转发策略，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧包括：

所述第一中央网关检测是否接收到所述第二中央网关的第一物理端口发送的广播帧；

当所述第一中央网关接收到所述第二中央网关的第一物理端口发送的广播帧时，判断所述广播帧的输入端口是否是所述第一中央网关的第一物理端口；

若所述广播帧的输入端口是所述第一中央网关的第一物理端口，判断所述广播帧的输出端口的端口号是否大于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号；

若所述广播帧的输出端口的端口号大于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧。

进一步的，所述基于第二预设转发策略，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧包括：

所述第一中央网关检测是否接收到所述第二中央网关的第一物理端口发送的广播帧；

当所述第一中央网关接收到所述第二中央网关的第一物理端口发送的广播帧时，判断所述广播帧的输入端口是否是所述第一中央网关的第一物理端口；

若所述广播帧的输入端口是所述第一中央网关的第一物理端口，判断所述广播帧的输出端口的端口号是否小于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号；

若所述广播帧的输出端口的端口号小于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧。

进一步的，所述方法还包括：

若所述广播帧的输入端口不是所述第一中央网关的第一物理端口，向所述第一中央网关的其他物理端口转发所述广播帧。

进一步的，所述方法还包括：

若所述广播帧的输出端口的端口号不大于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号，向所述第一中央网关的其他物理端口转发所述广播帧，或者，

若所述广播帧的输出端口的端口号不小于所述第一中央网关的第一物理端口的端口号，向所述第一中央网关的其他物理端口转发所述广播帧。

优选的，所述第一中央网关的第一物理端口的端口号与所述第二中央网关的第一物理端口的端口号相同。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于两个中央网关的物理端口的设置来进行转发策略的设置，无需使用STP生成树，对Switch芯片的要求低，系统成本也相应较低；

2、本发明基于两个中央网关的物理端口的广播帧的转发策略来实现，在Switch芯片的初始化即可完成，不需要生成树，减少了初始化时间；

3、本发明基于两个中央网关来实现，当两个中央网关的位置不变，车载网络中增加或者减少区/域网关，或者车载网络中的某些端口进行了调整，均不影响两个中央网关建立的虚拟闸门；

4、本发明由于不需要生成树，网络的配置非常灵活，动态响应快。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方式，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的抑制车载网络广播风暴的方法的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的车载网络的网络拓扑图；

图3是本发明实施例提供的中央网关A按照方式一转发广播帧的转发方向示意图；

图4是本发明实施例提供的中央网关A按照方式二转发广播帧的转发方向示意图；

图5是本发明实施例提供的从中央网关A向中央网关B转发广播帧的转发方向示意图；

图6是本发明实施例提供的从中央网关A向中央网关B转发广播帧的方法流程图；

图7是本发明实施例提供的从中央网关B向中央网关A转发广播帧的转发方向示意图；

图8是本发明实施例提供的从中央网关B向中央网关A转发广播帧的方法流程图；

图9是本发明实施例提供的环形网络结构广播风暴的抑制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本发明实施例提供了一种抑制车载网络广播风暴的方法，如图1所示，所述方法包括：

S101.将车载网络中第一中央网关的第一物理端口与第二中央网关的第一物理端口相连。

其中，所述车载网络中的第一中央网关与第二中央网关互为冗余，且紧邻布局，即所述第一中央网关与所述第二中央网关由物理端口直接连接。所述第一中央网关和所述第二中央网关的端口数可以根据实际需要进行设置，本发明实施例对此不作限定。

示例性地，如图2所示，所述第一中央网关为中央网关A，所述第二中央网关为中央网关B，将所述中央网关A的端口A1与所述中央网关B的端口B1相连。采用这种连接方式一方面方便所述中央网关A和所述中央网关B进行信息互换，另一方面可以为设置第一预设转发策略和第二预设转发策略提供条件。

S102.将车载网络中第一中央网关的第二物理端口和第二中央网关的第二物理端口与区/域网关相连构成环形网络结构。

其中，所述区/域网关是连接某一区域或功能域内的电子控制器的一个子网关。具体的，所述区/域网关包括区网关和域网关。所述区网关为基于网关位于车身的位置划分的网关，例如左前网关、右前网关、左后网关和右后网关等。所述域网关为根据网关的功能划分的网关，例如车身域网关和辅助驾驶域网关等。所述区/域网关的数量和端口数可以根据实际需要进行设置，本发明实施例对此不作限定。

示例性地，如图2所示，所述区/域网关包括区/域网关C、区/域网关D、区/域网关E和区/域网关F，将所述中央网关A的端口A4与所述区/域网关C的端口C1相连，将所述中央网关B的端口B4与所述区/域网关F的端口F5相连，将所述区/域网关C的端口C5与区/域网关D的端口D1相连，将区/域网关D的端口D4与区/域网关E的端口E1相连，将区/域网关E的端口E4与区/域网关F的端口F1相连，从而构成环形网络结构。

S103.将所述第一中央网关的其他物理端口、所述第二中央网关的其他物理端口以及所述区/域网关的其他物理端口与车载网络中的电子控制器相连。

其中，所述电子控制器(Electronic Control Unit，简称ECU)为车载控制器，所述电子控制器的数量可以根据实际需要进行设置，本发明实施例对此不作限定。

示例性地，如图2所示，将所述区/域网关C的端口C2与ECU1相连，将所述区/域网关C的端口C3和C4分别与ECU2和ECU3相连，将区/域网关D的端口D2和D3分别与ECU4和ECU5相连，将区/域网关E的端口E2和E3分别与ECU6和ECU7相连，将区/域网关F的端口F2和F3分别与ECU8和ECU9相连，将区/域网关F的端口F4与ECU10相连，将中央网关B的端口B3和B2分别与ECU11和ECU12相连，将中央网关A的端口A2和A3分别与ECU13和ECU14相连。

S104.基于第一预设转发策略，阻断通过所述第二中央网关的第一物理端口向所述第二中央网关的输出端口转发的广播帧。

本发明实施例中，无论是各个中央网关还是各个区/域网关，其以太网数据转发功能都是由Switch芯片完成的。当Switch芯片在转发数据时，需要查询很多张配置表，其中有一张配置表是关于每个端口的广播帧转发策略配置的。Switch芯片的物理端口一般都有物理编号，例如4端口的Switch芯片，4个端口的物理编号为0，1，2，3。基于两个中央网关的物理端口的端口号可以对广播帧的转发策略进行限制。

对于各个中央网关的端口设置，针对广播帧，可以设置特定的转发规则。例如，对中央网关A和中央网关B的连接端口(参见图2中的A1和B1)的设置，可以采取以下两种方式：

方式一：选择A1＝0，A2＝1，A3＝2，A4＝3，当输出端口的端口号大于端口A1的端口号时，不进行数据转发。也就是针对中央网关A，从A2，A3，A4端口输入的广播帧，可以转发至A1端口，而从A1端口输入的广播帧，由于输出端口A2至A4均大于A1，所有广播帧不再转发，该广播帧会被丢弃。

方式二：选择A1＝3，A2＝2，A3＝1，A4＝0，当输出端口的端口号小于端口A1的端口号时，不进行数据转发。也就是针对中央网关A，从A2，A3，A4端口输入的广播帧，可以转发至A1端口，而从A1端口输入的广播帧，由于输出端口A2至A4均小于A1，所有广播帧不再转发，该广播帧会被丢弃。

如图3和图4所示，通过上述方式一或者方式二，广播帧的转发方向只能从端口A2、A3或者A4转发至A1，而从A1端口输入的广播帧不可转发至端口A2、A3和A4。另外，端口A2、A3和A4三个端口之间广播帧的转发不受影响。

对于中央网关B，它采取和中央网关A同样的端口设置，在此不再赘述。

本发明实施例中，中央网关A的端口A1和中央网关B的端口B1的端口号相同，例如均为最小的端口号(例如0)或者最大的端口号(例如3)，以便于基于端口设置进行广播风暴的抑制。

下面具体介绍基于中央网关A和中央网关B的端口设置进行广播风暴的抑制的方法。

对于中央网关A和中央网关B来说，广播帧的转发方向可以是从中央网关A向中央网关B进行转发，例如可以是从中央网关A的端口A2，A3，A4输入，通过中央网关A的端口A1向中央网关B的端口B1转发，如图5所示。具体的，如图6所示，上述广播帧转发过程可以包括以下步骤：

S601.中央网关B初始化；

S602.中央网关B检测是否接收到中央网关A的端口A1发送的广播帧；

S603.若是，判断所述广播帧的输入端口是否是中央网关B的端口B1，若否，则执行步骤S606；

S604.若是，判断所述广播帧的输出端口(例如端口B2、B3或B4)的端口号是否大于中央网关B的端口B1的端口号，若否，则执行步骤S606；

S605.若是，则阻断通过中央网关B的端口B1向中央网关B的输出端口(B2至B4)转发的广播帧；

S606.向中央网关B的其他物理端口(例如端口B2、B3或B4)转发所述广播帧。

本发明实施例中，步骤S604中也可以通过判断所述广播帧的输出端口(例如端口B2、B3或B4)的端口号是否小于中央网关B的端口B1的端口号来确定是否通过中央网关B的端口B1向中央网关B的输出端口(B2至B4)转发广播帧。

S105.基于第二预设转发策略，阻断通过所述第一中央网关的第一物理端口向所述第一中央网关的输出端口转发的广播帧。

对于中央网关A和中央网关B来说，广播帧的转发方向也可以是从中央网关B向中央网关A进行转发，例如可以是从中央网关B的端口B2，B3，B4输入，通过中央网关B的端口B1向中央网关A的端口A1转发，如图7所示。具体的，如图8所示，上述广播帧转发过程可以包括以下步骤：

S801.中央网关A初始化；

S802.中央网关A检测是否接收到中央网关B的端口B1发送的广播帧；

S803.若是，判断所述广播帧的输入端口是否是中央网关A的端口A1，若否，则执行步骤S806；

S804.若是，判断所述广播帧的输出端口(例如端口A2、A3或A4)的端口号是否大于中央网关A的端口A1的端口号，若否，则执行步骤S806；

S805.若是，则阻断通过中央网关A的端口A1向中央网关A的输出端口(A2至A4)转发的广播帧；

S806.向中央网关A的其他物理端口(例如端口A2、A3或A4)转发所述广播帧。

本发明实施例中，步骤S804中也可以通过判断所述广播帧的输出端口(例如端口A2、A3或A4)的端口号是否小于中央网关A的端口A1的端口号来确定是否通过中央网关A的端口A1向中央网关A的输出端口(A2至A4)转发广播帧。

本发明实施例当中央网关A和中央网关B都选择最小端口号连接时，第一预设转发策略和第二预设转发策略均为所述广播帧的输出端口的端口号大于输入端口的端口号时，不转播广播帧。因为输入端口号已经是最小端口号，其他端口号均大于输入端口号，所以从一个中央网关转发的广播帧到达另外一个中央网关后，不会再继续广播下去，相当于两个中央网关建立起一道闸门。因此，不管是来自哪个方向的广播帧，在通过两个中央网关这道虚拟的闸门时，均不能继续循环，从而广播帧在环形网络结构上只能广播一次，不会一直占用网络带宽。反之，当中央网关A和中央网关都选择最大物理端口号连接时，对最大端口的输入广播帧进行转发限定，当输入端口的端口号小于输出端口的端口号时，放弃广播帧，不进行转发，同样可以抑制广播帧。

对于中央网关A或者中央网关B来说，中央网关A或者中央网关B自身也需要对外发送广播帧。当中央网关A或者中央网关B对外发送广播时，直接向所有端口发送广播帧。中央网关A发送的广播帧由中央网关B进行阻断，反之，中央网关B发送的广播帧由中央网关A进行阻断。

通过采用上述技术方案，当环形网络结构上有一个节点发送广播帧时，数据流只会在环形网络结构上广播一遍。例如，如图9所示，当ECU5发送广播帧时，通过D1和D4两个端口在环形网络结构上发送数据，会在中央网关A和中央网关B的连接处被截断。

本发明实施例提供的抑制车载网络广播风暴的方法具有如下优点：

1、本发明基于两个中央网关的物理端口的设置来进行转发策略的设置，无需使用STP生成树，对Switch芯片的要求低，系统成本也相应较低；

2、本发明基于两个中央网关的物理端口的广播帧的转发策略来实现，在Switch芯片的初始化即可完成，不需要生成树，减少了初始化时间；

3、本发明基于两个中央网关来实现，当两个中央网关的位置不变，车载网络中增加或者减少区/域网关，或者车载网络中的某些端口进行了调整，均不影响两个中央网关建立的虚拟闸门；

4、本发明由于不需要生成树，网络的配置非常灵活，动态响应快。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。