专利名称：网络的快速环冗余的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如独立权利要求的前序部分所述的网络和网，怍方法。 即尤其关系到用于网络中的以太网交换机的发明。尤其是，本发明涉及特
定环>^^乍下的网络内的交换机。^a^发明不必局限于交^^机方面的^^，而
是^itJ^!^应用。因此，本发明在下面都应用于交换4几，虽然它可"f^]在 与通过至少两个网络^妄Ai^^到网络的前述电子装置上。
背景技术：
如果网络由交换机构建，则通常存在这样的要求，即在传导中断的情况下
自动切换到在该时间点之前冗余的不活动的连接。通itit种方式，数据传输中 断减至最小。
为此，国际标准DEEE802.1D描述了生^t办议(STP)并在新任^P射笛 述了较为快速的变型，即快i^JWt办议(RSTP)。这里涉Wj网络可与交换 机随意结合的情况。对于以太网，通常在两个^者之间始终^JL许存在一个 活动的连接。该协议利用其算法将网^^解成一个树状结构^f^/斤有双重连接 不活动。然后在需要时，即在原始连接发生故障时激活所有双重连接。RSTP 协议能实现可靠的切换，但在网络直径^H刀换到冗^^接的可靠切^^J^ 在局限性。这意味着，不能始^f角保切换能非常'f^kii行或^fr确确定的时 间内进行。因此，该协i驢切换时间方面不是确定性的。okb^卜，对该协议的使 用不利的是，拓朴可以是任意的，由此无法始终简单^y,导扭i^I"沐可预见性。
基于此，专利文献WO99/46908详细说明了一种环冗余方法，该方法的特 征在于，环形式的拓朴简单，确定性的切换时间最大为500ms(毫秒)。该方法 以自动^t支术实现并且实际上按照IEC工作组IEC62439标准化。在此情况下， 切换时间最大可iiJiJ 200ms。
问题
在自动化中对网络的需求逐步增大。所保证的500ms或200ms的最大故障时间不再适用于多种应用场合。作为实例，i!E乾义的是^^/工作可靠性的 范围。该范围内的设4^^多g于以太网通信而构建。^匕，将这种妙 协i义应用的网络i人为^:透明的。然而电网故障由^r要求严格的应用识别，并 会马上导致停机。由》谈出的要求是，电网故障短到对^^db要求严格的应用来 说不必视为4M目关。由于实际应用上的原因，产生了这样的要求，即故障必须
确保小于20ms。利用常^/^^的系统不再能满;ui样的要求。迄今e^"的方案
是由cpu系统和交换机芯片共同M^的，在该cpu系乡社除了实现多种不同
的时间集中的功能外还^fr^议，而交^i通过交换机芯片进行的，且交换机
芯片同样通过cpu系^l寻到控制(为jtb^见
图1中的已知系统)。
为了解决实JiL^可能^iiL得到保障的切换时间这一问题，迄今给出的技术 手段如下
1. cpu系统相应inM皮伊"匕，由此为扭行冗^i^议而提供最大系统资源。不 过，由预先给定了固定的容量而使得A^时间由此只負M寻到4沐PW^短；
2. 完整的冗余功能絲到交换机芯片中。目前对此却不存在可利用的方案。 没有商业Jiit用的具有相应功能的交换机芯片。jH^卜，cpu系统的伏/RM义利于
冗余功能也B意义的，因为系会^M目应提高效率时却导致系统的成^Mr、再符 合市场需要。
技术方案
该方案是一种对于冗^^议的快速^U亍得到优化的系统。该冗^H^议的基
本功育^jtbit循专利WO99/46908中所述的功能。
发明内容
才財居^^发明，这才科见定在4空制单元与至少一个交^^4^间i^接一个冗余 单元。这才^故的优点在于，无论是控制单it^A^换才滴t^^行其本身的任务， 并JLit免了在故障情况下网络冗余所遇到的任务。由此，能够以特别有利的方 式明显自短故障情况下的反应时间，由jtbH夹对这种故障的反应时间。
该构思^:这样一种结构其在原^与^W系乡A4目同^HM在标准部件之 上。但该结构在完全确定的位置Jiit过一个加快冗^i^议的专用组件加以补充。
所述方案的特点在于，该组件构建在cpu系统与交;^0^间的两个连接
中。通iiil些连接，组件一方面运行以太网数据，另一方面运行交换才Ai且件的配置数才^^i貪断数据。通常，以太网数据通过MH、 RMII、 SMBU G]Vffl或 SGMH或制造商指定的接口传输。与芯片进行的配置通信通过并絲串联接口 例如SPI或MDIO #/ft。
在本发明的改进中，冗余单元具有输入单元和^#单元。这样敝的优点在 于，用于网络冗^f壬务的数据^f呈序(软件)可独立于控制单元或独立于交换 才A^Wj冗余单元中。这意味着，网络冗^f壬务所涉及的变化可独立于控制单 元的操作或独立于交换机或网络^^部件的操作进行。
作为替换或补充，在本发明的 说中这^M^1:冗^^单元具有至少一个用 于^^功育^广展目的的才執的插入空间。因此，^^^7v单;^作为输入单元 的补充，可以进行功能扩展，以便例如能够改变、最好是扩展冗余单元的功能 范围或软件。
在本发明的 说中，控制单^Ut过以太网接口絲itS己置接口与冗余单元 连接。itb^卜，作为替换或补充，这才科赋冗余单iUt过以太网接口絲itS己 置接口与交换才;u^接。这#^故的优点在于，通过一个接口，可以在网络及其参 与的网络勤出结构设备内进行数据交换，而通it^U妄口可交换配置^:据。
在本发明的 说中这#^^:冗余单幼造为ASIC或FPGA。 ASIC (专 用絲电路)构造的优点在于，才M居网^f壬^f在考虑网络运营商需求的情况 下，可将用以^^冗余单元的所需数据、1^t以及类似物组合到该专用M电 路中。由A谈高了符合网^^求的冗余单元的独立性。作为^f《，这才#赋 冗余单it^it^ FPGA(现场可编程门阵列)。FPGA包^^可编禾liE辑部件和在 这些部件之间具有可控开关的可编禾li^接銜洛，其中整个系统构造为场或矩阵。 这些部件可实现絲的逻辑功能，还组合连接成复杂的逻辑电路，>^码器、 编码器或数学函数。FPGA的优点在于，它在制造后由将这些組件放置到其电 路中的〗細者絲程。^L^文中编程的概念不应麟为形細于处理器的软件。 在FPGA中，电路结构借助于硬件描述语言或^W洛图的形式iM，随后出 于配置的目的将这些数据传递到组件中。在FPGA中，将由jH^角定的开关位置 激活或去激活，船章W寻到了胁实现的数字电路。由于FPGA的功能^it过 配置确定，于是相同的组件就可用于多种不同的电路和应用。由此带来的优点 在于，可大批量生产这样的组件，例如在原型(Prototypen)的情况下，主要是 小系列物体，较之ASIC成^fe^得多。^^发明的 iLii中，冗余单it^接在控制单元的物理接口 (phy)与其媒 体访问控制(mac)之间。
jH^卜，才M居本发明，提出了一种网^ft方法，其中，连接在交换机与控 制单议间的冗余单元分析交换机与控制单议间的数据流，并才,分析结果 将数据插a^数梧流中和/或从数悟流中删除数椐。
在本发明的改进中这4种见定与冗余单元独立地以可预定的数M率发送 和/或接收测^t据，尤其^L测^L据包。
在本发明的改进中这#^见定测试数据为网络环>^据或连 :据，借助其 检查网络环是否发挥功能并JU企查所属网络基f出结构i殳^^之间的连接是否形 成。在此，例如这样构造网餘朴，即在环网络中，对应于其功育^4在诸如交 换机、集线器、路由器、pc传感器、"^亍单元等网络^5出结构设备。
这种系统的结构(网络的一^分)在图2中示出。
冗余单元例如可a fpga的形式实现，但是也可构造为asic。作为 fpga实现的特点在于，功能I"生也可在fpga^^期间实现，由》化可以通过 软件更新来实现fpga的逻辑功能。
本发明的""^分在于，冗^^单元可独立M交4灸才几芯片与cpu之间的翁:才居 流中分析和删除以太网数梧包，正如将数据包独立地插WJ数据流中那样。此
外，冗余单元可独立船'j用交换才;^亥心交换配置数据^it断数据。
本发明的另-""^分在于，功負^皮内建到mac与phy之间的接口中，并且 直到冗余功育N"其余系统M^it明的。
作为加快冗余的&^功能，冗lHM牛提供了以下功^^莫块 -以可选的数^it率独立发iil^4妄收测^^:据包；
-与交换机芯片独立通信并iL^此可触发下述功能清除iW錄、切换阻 塞的相关端口、切换转发的相关端口；
-4空制对交^^几芯片的通4言4妄口i^f亍沐问的斥^P艮(cpu或冗^M牛)。 jH^卜，冗^^议的主要功育^冗辆件中运行。
利用测试数提包，可检查两个对于冗余监控必要的状态。利用环测试J^:据 包^T检查环是否j^^能。利用连接测^^:据包可检查两个设备之间的连接是 否发挥功能。在此情况下，连接测i^:据包是必需的，因为已经表明该方法 不能可靠地、特别是不够快i4i^识别由芯片所通报的、对两个端口之间是否存
6^i^辦出识别的连舰态。
由于测^t据包由7C^单;^l成，则能够以这样高的速率生成测^t据包， 从而狄^的时间内识别出连接赠，正:^只别出连4^i那样。
该技术方案的其它优点在于，冗余单元直接与交换机芯片通信，不用通过 CPU系统间接进行。这样就可以特别十;fc^完成因接收控制数据包而产生的必 要的切换过程。
利用该技术方案，可以通过将以软件完成的时间要求不严格的功能与以硬 件完成的时间要求严格的功能甜，将对网g障的所希望的^时间加快到 20ms以下。
对功能图l的识朋
图1示出了具有管理功能的以太网交换系统的典型实际状态； 这种以太网交换系统的典型结构由CPU系统300构成，^^有以太网接口 200 ^it过以太网端口与以太网交换机100直接连接。以太网交^^l^夕Np的以 太网端口 IIO和CPU系统之间交换以太网数據包。jtb^卜，以太网交换机100通 itS己置接口 201与CPU系统300连接，通过该CPU系统传输控制和状,^f言息。
对功能图2的说明
图2示出了具有管理功能的以太网交换系统的改型。该以太网交换系统的 改型由冗絲件(FPGA、 ASIC或通信处理器)550构成，其连接在CPU系 统700与以太网交换机400之间。以太网数据伊u^诚过以太网接口 600和500 流向以太网交换机400,进一步流向夕Np的以太网端口 410。控制和状杏f言息流 经配置接口 601和501。在冗^HM牛550中，通过控制使得在CPU与冗余功能 或数据丢失之间不会产生访问沖突。
总的来i兌，本^发明以下^构或下iiX作方式为特征
具有至少两个网络连接端的以太网部件，其特征在于，在CPU系统与交换 机、尤其是与交换机核心之间具有一个专用的冗^MM牛，其以硬件实现冗^t办 议。该冗辆件连接到cpu系统与交换才M亥心之间的数才^it信中，并肯M虫立地 补^滤出数据包。
该冗辆件连接到cpu系统与交换才虛心之间的配置通信中，并肯M虫立地 将配置命令发i^交换才/a亥心M出必要的配置数据。
cpu系统与交换才;Ut心之间的数^it信借助于通信限制如此iU，即，始
终有足够的带宽可用于冗*件，以便独立地^t7^数据包。
对于cpu系统与交换系多欣间的配置通信而言，^J ]专门的握手协议，其
确保冗^M牛相对于cpu访问获得必要的优先级。
》h^卜，冗辆件的特絲于，其能为系Mi广^f、有的交换硬件所不^R供
的附加功能。
冗辆件的特棘于，其可针对cpu系统方向上任意的数^1率限制而加
以扩展。
冗^M牛的特4iMfc于，可转发确定的数据包，而不^^給cpu系^t曾加负担。
权利要求
1、一种网络，该网络包括至少一个交换机(400)，该至少一个交换机具有与网络的网络基础结构设备的接口(410)，其中，给该至少一个交换机(400)分配控制单元(700)，该控制单元(700)与交换机(400)连接以进行数据交换，其特征在于，控制单元(700)与交换机(400)之间连接有冗余单元(550)。
2、 M又利要求1所述的网络，^#棘于，该冗余单元(550)具有输入 单;^^#单元。
3、 如权利要求1或2所述的网络，^4争絲于，该冗余单元(550)具有 至少一个用于^U扩展冗^^单元(550)的功能的目的的才势夬的插入空间。
4、 M又利要求1至3之一所述的网络，^#棘于，该控制单元(700) 通过以太网接口 (600)和配置4妄口 (601)与冗^^单元(550)连接。
5、 如权利要求l至4之一所述的网络，^4争4iL^于，该冗余单元(550) 通过以太网接口 (500)和配置接口 (501)与交换机(400)连接。
6、 如前ii^又利要求之一所述的网络，^#*于，该冗余单元(550)构 造为ASIC或FPGA。
7、 如前ii^又利要求之一所述的网络，其特征在于，该冗余单元(550)连 接在控制单元(700)的物理接口 (PHY)与其+^^访问控制(MAC)之间。
8、 一种网络操怍方法，该网络包括至少一个交换机(400)和与所述至少 一个交换机(400)连接的网络J^出结构设备，其中所M少一个交4灸才几(400) 受到控制单元(700)的控制，其特征在于，连接在交换机(400)与控制单元 (700)之间的冗余单元(550)分析交换机(400)与控制单元(700)之间的数据流，并且才財居分析结果将数据插A^数据流中和/或从数据流中删除数据。
9、 如权利要求8所述的方法，^4衫JE^于，由冗余单元(550)独立地以 可预定的数才^4率发#/或接收测^1^居，尤其是观K^t据包。
10、 如权利要求9所述的方法，其特征在于，测试数据为网络环^l:据或连 接数据，借助于其检查网络环是否发挥功能并JM^查所属网络勤出结构设备之间的i^4妄是否形成。
全文摘要
本发明涉及一种网络操作方法和一种网络，该网络包括至少一个交换机(400)和与所述至少一个交换机(400)连接的网络基础结构设备，所述至少一个交换机(400)受到控制单元(700)的控制。根据本发明，连接在交换机(400)与控制单元(700)之间的冗余单元(550)分析交换机(400)与控制单元(700)之间的数据流，并且根据分析结果将数据插入到数据流中和/或从数据流中删除数据。
文档编号H04L12/437GK101682555SQ200880012738
公开日2010年3月24日 申请日期2008年7月4日 优先权日2007年7月5日
发明者A·施蒂格勒, D·莫尔, W·施密德, W·迈施 申请人:赫思曼自动化控制有限公司