專利名稱：網(wǎng)絡(luò)的快速環(huán)冗余的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如獨立權(quán)利要求的前序部分所述的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)，怍方法。 即尤其關(guān)系到用于網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)交換機(jī)的發(fā)明。尤其是，本發(fā)明涉及特
定環(huán)>^^乍下的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換機(jī)。^a^發(fā)明不必局限于交^^機(jī)方面的^^，而
是^itJ^!^應(yīng)用。因此，本發(fā)明在下面都應(yīng)用于交換4幾，雖然它可"f^]在 與通過至少兩個網(wǎng)絡(luò)^妄Ai^^到網(wǎng)絡(luò)的前述電子裝置上。
背景技術(shù)：
如果網(wǎng)絡(luò)由交換機(jī)構(gòu)建，則通常存在這樣的要求，即在傳導(dǎo)中斷的情況下
自動切換到在該時間點之前冗余的不活動的連接。通itit種方式，數(shù)據(jù)傳輸中 斷減至最小。
為此，國際標(biāo)準(zhǔn)DEEE802.1D描述了生^t辦議(STP)并在新任^P射笛 述了較為快速的變型，即快i^JWt辦議(RSTP)。這里涉Wj網(wǎng)絡(luò)可與交換 機(jī)隨意結(jié)合的情況。對于以太網(wǎng)，通常在兩個^者之間始終^JL許存在一個 活動的連接。該協(xié)議利用其算法將網(wǎng)^^解成一個樹狀結(jié)構(gòu)^f^/斤有雙重連接 不活動。然后在需要時，即在原始連接發(fā)生故障時激活所有雙重連接。RSTP 協(xié)議能實現(xiàn)可靠的切換，但在網(wǎng)絡(luò)直徑^H刀換到冗^^接的可靠切^^J^ 在局限性。這意味著，不能始^f角保切換能非常'f^kii行或^fr確確定的時 間內(nèi)進(jìn)行。因此，該協(xié)i驢切換時間方面不是確定性的。okb^卜，對該協(xié)議的使 用不利的是，拓樸可以是任意的，由此無法始終簡單^y,導(dǎo)扭i^I"沐可預(yù)見性。
基于此，專利文獻(xiàn)WO99/46908詳細(xì)說明了一種環(huán)冗余方法，該方法的特 征在于，環(huán)形式的拓樸簡單，確定性的切換時間最大為500ms(毫秒)。該方法 以自動^t支術(shù)實現(xiàn)并且實際上按照IEC工作組IEC62439標(biāo)準(zhǔn)化。在此情況下， 切換時間最大可iiJiJ 200ms。
問題
在自動化中對網(wǎng)絡(luò)的需求逐步增大。所保證的500ms或200ms的最大故障時間不再適用于多種應(yīng)用場合。作為實例，i!E乾義的是^^/工作可靠性的 范圍。該范圍內(nèi)的設(shè)4^^多g于以太網(wǎng)通信而構(gòu)建。^匕，將這種妙 協(xié)i義應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)i人為^:透明的。然而電網(wǎng)故障由^r要求嚴(yán)格的應(yīng)用識別，并 會馬上導(dǎo)致停機(jī)。由》談出的要求是，電網(wǎng)故障短到對^^db要求嚴(yán)格的應(yīng)用來 說不必視為4M目關(guān)。由于實際應(yīng)用上的原因，產(chǎn)生了這樣的要求，即故障必須
確保小于20ms。利用常^/^^的系統(tǒng)不再能滿;ui樣的要求。迄今e^"的方案
是由cpu系統(tǒng)和交換機(jī)芯片共同M^的，在該cpu系鄉(xiāng)社除了實現(xiàn)多種不同
的時間集中的功能外還^fr^議，而交^i通過交換機(jī)芯片進(jìn)行的，且交換機(jī)
芯片同樣通過cpu系^l尋到控制(為jtb^見

圖1中的已知系統(tǒng))。
為了解決實JiL^可能^iiL得到保障的切換時間這一問題，迄今給出的技術(shù) 手段如下
1. cpu系統(tǒng)相應(yīng)inM皮伊"匕，由此為扭行冗^i^議而提供最大系統(tǒng)資源。不 過，由預(yù)先給定了固定的容量而使得A^時間由此只負(fù)M尋到4沐PW^短；
2. 完整的冗余功能絲到交換機(jī)芯片中。目前對此卻不存在可利用的方案。 沒有商業(yè)Jiit用的具有相應(yīng)功能的交換機(jī)芯片。jH^卜，cpu系統(tǒng)的伏/RM義利于
冗余功能也B意義的，因為系會^M目應(yīng)提高效率時卻導(dǎo)致系統(tǒng)的成^Mr、再符 合市場需要。
技術(shù)方案
該方案是一種對于冗^^議的快速^U亍得到優(yōu)化的系統(tǒng)。該冗^H^議的基
本功育^jtbit循專利WO99/46908中所述的功能。

發(fā)明內(nèi)容
才財居^^發(fā)明，這才科見定在4空制單元與至少一個交^^4^間i^接一個冗余 單元。這才^故的優(yōu)點在于，無論是控制單it^A^換才滴t^^行其本身的任務(wù)， 并JLit免了在故障情況下網(wǎng)絡(luò)冗余所遇到的任務(wù)。由此，能夠以特別有利的方 式明顯自短故障情況下的反應(yīng)時間，由jtbH夾對這種故障的反應(yīng)時間。
該構(gòu)思^:這樣一種結(jié)構(gòu)其在原^與^W系鄉(xiāng)A4目同^HM在標(biāo)準(zhǔn)部件之 上。但該結(jié)構(gòu)在完全確定的位置Jiit過一個加快冗^i^議的專用組件加以補(bǔ)充。
所述方案的特點在于，該組件構(gòu)建在cpu系統(tǒng)與交;^0^間的兩個連接
中。通iiil些連接，組件一方面運行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，另一方面運行交換才Ai且件的配置數(shù)才^^i貪斷數(shù)據(jù)。通常，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過MH、 RMII、 SMBU G]Vffl或 SGMH或制造商指定的接口傳輸。與芯片進(jìn)行的配置通信通過并絲串聯(lián)接口 例如SPI或MDIO #/ft。
在本發(fā)明的改進(jìn)中，冗余單元具有輸入單元和^#單元。這樣敝的優(yōu)點在 于，用于網(wǎng)絡(luò)冗^f壬務(wù)的數(shù)據(jù)^f呈序(軟件)可獨立于控制單元或獨立于交換 才A^Wj冗余單元中。這意味著，網(wǎng)絡(luò)冗^f壬務(wù)所涉及的變化可獨立于控制單 元的操作或獨立于交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)^^部件的操作進(jìn)行。
作為替換或補(bǔ)充，在本發(fā)明的 說中這^M^1:冗^^單元具有至少一個用 于^^功育^廣展目的的才執(zhí)的插入空間。因此，^^^7v單;^作為輸入單元 的補(bǔ)充，可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，以便例如能夠改變、最好是擴(kuò)展冗余單元的功能 范圍或軟件。
在本發(fā)明的 說中，控制單^Ut過以太網(wǎng)接口絲itS己置接口與冗余單元 連接。itb^卜，作為替換或補(bǔ)充，這才科賦冗余單iUt過以太網(wǎng)接口絲itS己 置接口與交換才;u^接。這#^故的優(yōu)點在于，通過一個接口，可以在網(wǎng)絡(luò)及其參 與的網(wǎng)絡(luò)勤出結(jié)構(gòu)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而通it^U妄口可交換配置^:據(jù)。
在本發(fā)明的 說中這#^^:冗余單幼造為ASIC或FPGA。 ASIC (專 用絲電路)構(gòu)造的優(yōu)點在于，才M居網(wǎng)^f壬^f在考慮網(wǎng)絡(luò)運營商需求的情況 下，可將用以^^冗余單元的所需數(shù)據(jù)、1^t以及類似物組合到該專用M電 路中。由A談高了符合網(wǎng)^^求的冗余單元的獨立性。作為^f《，這才#賦 冗余單it^it^ FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)。FPGA包^^可編禾liE輯部件和在 這些部件之間具有可控開關(guān)的可編禾li^接銜洛，其中整個系統(tǒng)構(gòu)造為場或矩陣。 這些部件可實現(xiàn)絲的邏輯功能，還組合連接成復(fù)雜的邏輯電路，>^碼器、 編碼器或數(shù)學(xué)函數(shù)。FPGA的優(yōu)點在于，它在制造后由將這些組件放置到其電 路中的〗細(xì)者絲程。^L^文中編程的概念不應(yīng)麟為形細(xì)于處理器的軟件。 在FPGA中，電路結(jié)構(gòu)借助于硬件描述語言或^W洛圖的形式iM，隨后出 于配置的目的將這些數(shù)據(jù)傳遞到組件中。在FPGA中，將由jH^角定的開關(guān)位置 激活或去激活，船章W尋到了脅實現(xiàn)的數(shù)字電路。由于FPGA的功能^it過 配置確定，于是相同的組件就可用于多種不同的電路和應(yīng)用。由此帶來的優(yōu)點 在于，可大批量生產(chǎn)這樣的組件，例如在原型(Prototypen)的情況下，主要是 小系列物體，較之ASIC成^fe^得多。^^發(fā)明的 iLii中，冗余單it^接在控制單元的物理接口 (phy)與其媒 體訪問控制(mac)之間。
jH^卜，才M居本發(fā)明，提出了一種網(wǎng)^ft方法，其中，連接在交換機(jī)與控 制單議間的冗余單元分析交換機(jī)與控制單議間的數(shù)據(jù)流，并才,分析結(jié)果 將數(shù)據(jù)插a^數(shù)梧流中和/或從數(shù)悟流中刪除數(shù)椐。
在本發(fā)明的改進(jìn)中這4種見定與冗余單元獨立地以可預(yù)定的數(shù)M率發(fā)送 和/或接收測^t據(jù)，尤其^L測^L據(jù)包。
在本發(fā)明的改進(jìn)中這#^見定測試數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)>^據(jù)或連 :據(jù)，借助其 檢查網(wǎng)絡(luò)環(huán)是否發(fā)揮功能并JU企查所屬網(wǎng)絡(luò)基f出結(jié)構(gòu)i殳^^之間的連接是否形 成。在此，例如這樣構(gòu)造網(wǎng)餘樸，即在環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，對應(yīng)于其功育^4在諸如交 換機(jī)、集線器、路由器、pc傳感器、"^亍單元等網(wǎng)絡(luò)^5出結(jié)構(gòu)設(shè)備。
這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)的一^分)在圖2中示出。
冗余單元例如可a fpga的形式實現(xiàn)，但是也可構(gòu)造為asic。作為 fpga實現(xiàn)的特點在于，功能I"生也可在fpga^^期間實現(xiàn)，由》化可以通過 軟件更新來實現(xiàn)fpga的邏輯功能。
本發(fā)明的""^分在于，冗^^單元可獨立M交4灸才幾芯片與cpu之間的翁:才居 流中分析和刪除以太網(wǎng)數(shù)梧包，正如將數(shù)據(jù)包獨立地插WJ數(shù)據(jù)流中那樣。此
外，冗余單元可獨立船'j用交換才;^亥心交換配置數(shù)據(jù)^it斷數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另-""^分在于，功負(fù)^皮內(nèi)建到mac與phy之間的接口中，并且 直到冗余功育N"其余系統(tǒng)M^it明的。
作為加快冗余的&^功能，冗lHM牛提供了以下功^^莫塊 -以可選的數(shù)^it率獨立發(fā)iil^4妄收測^^:據(jù)包；
-與交換機(jī)芯片獨立通信并iL^此可觸發(fā)下述功能清除iW錄、切換阻 塞的相關(guān)端口、切換轉(zhuǎn)發(fā)的相關(guān)端口；
-4空制對交^^幾芯片的通4言4妄口i^f亍沐問的斥^P艮(cpu或冗^M牛)。 jH^卜，冗^^議的主要功育^冗輛件中運行。
利用測試數(shù)提包，可檢查兩個對于冗余監(jiān)控必要的狀態(tài)。利用環(huán)測試J^:據(jù) 包^T檢查環(huán)是否j^^能。利用連接測^^:據(jù)包可檢查兩個設(shè)備之間的連接是 否發(fā)揮功能。在此情況下，連接測i^:據(jù)包是必需的，因為已經(jīng)表明該方法 不能可靠地、特別是不夠快i4i^識別由芯片所通報的、對兩個端口之間是否存
6^i^辦出識別的連艦態(tài)。
由于測^t據(jù)包由7C^單;^l成，則能夠以這樣高的速率生成測^t據(jù)包， 從而狄^的時間內(nèi)識別出連接贈，正:^只別出連4^i那樣。
該技術(shù)方案的其它優(yōu)點在于，冗余單元直接與交換機(jī)芯片通信，不用通過 CPU系統(tǒng)間接進(jìn)行。這樣就可以特別十;fc^完成因接收控制數(shù)據(jù)包而產(chǎn)生的必 要的切換過程。
利用該技術(shù)方案，可以通過將以軟件完成的時間要求不嚴(yán)格的功能與以硬 件完成的時間要求嚴(yán)格的功能甜，將對網(wǎng)g障的所希望的^時間加快到 20ms以下。
對功能圖l的識朋
圖1示出了具有管理功能的以太網(wǎng)交換系統(tǒng)的典型實際狀態(tài)； 這種以太網(wǎng)交換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)由CPU系統(tǒng)300構(gòu)成，^^有以太網(wǎng)接口 200 ^it過以太網(wǎng)端口與以太網(wǎng)交換機(jī)100直接連接。以太網(wǎng)交^^l^夕Np的以 太網(wǎng)端口 IIO和CPU系統(tǒng)之間交換以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。jtb^卜，以太網(wǎng)交換機(jī)100通 itS己置接口 201與CPU系統(tǒng)300連接，通過該CPU系統(tǒng)傳輸控制和狀,^f言息。
對功能圖2的說明
圖2示出了具有管理功能的以太網(wǎng)交換系統(tǒng)的改型。該以太網(wǎng)交換系統(tǒng)的 改型由冗絲件(FPGA、 ASIC或通信處理器)550構(gòu)成，其連接在CPU系 統(tǒng)700與以太網(wǎng)交換機(jī)400之間。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)伊u^誠過以太網(wǎng)接口 600和500 流向以太網(wǎng)交換機(jī)400,進(jìn)一步流向夕Np的以太網(wǎng)端口 410?？刂坪蜖钚觙言息流 經(jīng)配置接口 601和501。在冗^HM牛550中，通過控制使得在CPU與冗余功能 或數(shù)據(jù)丟失之間不會產(chǎn)生訪問沖突。
總的來i兌，本^發(fā)明以下^構(gòu)或下iiX作方式為特征
具有至少兩個網(wǎng)絡(luò)連接端的以太網(wǎng)部件，其特征在于，在CPU系統(tǒng)與交換 機(jī)、尤其是與交換機(jī)核心之間具有一個專用的冗^MM牛，其以硬件實現(xiàn)冗^t辦 議。該冗輛件連接到cpu系統(tǒng)與交換才M亥心之間的數(shù)才^it信中，并肯M蟲立地 補(bǔ)^濾出數(shù)據(jù)包。
該冗輛件連接到cpu系統(tǒng)與交換才虛心之間的配置通信中，并肯M蟲立地 將配置命令發(fā)i^交換才/a亥心M出必要的配置數(shù)據(jù)。
cpu系統(tǒng)與交換才;Ut心之間的數(shù)^it信借助于通信限制如此iU，即，始
終有足夠的帶寬可用于冗*件，以便獨立地^t7^數(shù)據(jù)包。
對于cpu系統(tǒng)與交換系多欣間的配置通信而言，^J ]專門的握手協(xié)議，其
確保冗^M牛相對于cpu訪問獲得必要的優(yōu)先級。
》h^卜，冗輛件的特絲于，其能為系Mi廣^f、有的交換硬件所不^R供
的附加功能。
冗輛件的特棘于，其可針對cpu系統(tǒng)方向上任意的數(shù)^1率限制而加
以擴(kuò)展。
冗^M牛的特4iMfc于，可轉(zhuǎn)發(fā)確定的數(shù)據(jù)包，而不^^給cpu系^t曾加負(fù)擔(dān)。
權(quán)利要求
1、一種網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括至少一個交換機(jī)(400)，該至少一個交換機(jī)具有與網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)備的接口(410)，其中，給該至少一個交換機(jī)(400)分配控制單元(700)，該控制單元(700)與交換機(jī)(400)連接以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其特征在于，控制單元(700)與交換機(jī)(400)之間連接有冗余單元(550)。
2、 M又利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)，^#棘于，該冗余單元(550)具有輸入 單;^^#單元。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的網(wǎng)絡(luò)，^4爭絲于，該冗余單元(550)具有 至少一個用于^U擴(kuò)展冗^^單元(550)的功能的目的的才勢夬的插入空間。
4、 M又利要求1至3之一所述的網(wǎng)絡(luò)，^#棘于，該控制單元(700) 通過以太網(wǎng)接口 (600)和配置4妄口 (601)與冗^^單元(550)連接。
5、 如權(quán)利要求l至4之一所述的網(wǎng)絡(luò)，^4爭4iL^于，該冗余單元(550) 通過以太網(wǎng)接口 (500)和配置接口 (501)與交換機(jī)(400)連接。
6、 如前ii^又利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)，^#*于，該冗余單元(550)構(gòu) 造為ASIC或FPGA。
7、 如前ii^又利要求之一所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，該冗余單元(550)連 接在控制單元(700)的物理接口 (PHY)與其+^^訪問控制(MAC)之間。
8、 一種網(wǎng)絡(luò)操怍方法，該網(wǎng)絡(luò)包括至少一個交換機(jī)(400)和與所述至少 一個交換機(jī)(400)連接的網(wǎng)絡(luò)J^出結(jié)構(gòu)設(shè)備，其中所M少一個交4灸才幾(400) 受到控制單元(700)的控制，其特征在于，連接在交換機(jī)(400)與控制單元 (700)之間的冗余單元(550)分析交換機(jī)(400)與控制單元(700)之間的數(shù)據(jù)流，并且才財居分析結(jié)果將數(shù)據(jù)插A^數(shù)據(jù)流中和/或從數(shù)據(jù)流中刪除數(shù)據(jù)。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，^4衫JE^于，由冗余單元(550)獨立地以 可預(yù)定的數(shù)才^4率發(fā)#/或接收測^1^居，尤其是觀K^t據(jù)包。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，測試數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)^l:據(jù)或連 接數(shù)據(jù)，借助于其檢查網(wǎng)絡(luò)環(huán)是否發(fā)揮功能并JM^查所屬網(wǎng)絡(luò)勤出結(jié)構(gòu)設(shè)備之間的i^4妄是否形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)操作方法和一種網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括至少一個交換機(jī)(400)和與所述至少一個交換機(jī)(400)連接的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)備，所述至少一個交換機(jī)(400)受到控制單元(700)的控制。根據(jù)本發(fā)明，連接在交換機(jī)(400)與控制單元(700)之間的冗余單元(550)分析交換機(jī)(400)與控制單元(700)之間的數(shù)據(jù)流，并且根據(jù)分析結(jié)果將數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)流中和/或從數(shù)據(jù)流中刪除數(shù)據(jù)。
文檔編號H04L12/437GK101682555SQ200880012738
公開日2010年3月24日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者A·施蒂格勒, D·莫爾, W·施密德, W·邁施 申請人:赫思曼自動化控制有限公司