专利名称：基于帧的容错通信系统的制作方法
技术领域：
实施方案包含一个分组交换网络，该网络包括一个基于帧的通信系统，并且特别地涉及容错通信系统中的基于端口的VLAN。
背景技术：
互联网协议可以使用以太网帧，其中以太网帧格式可以包含一个媒质接入控制(MAC)头，该头包括一个目的MAC地址、一个源MAC地址和一个数据有效载荷。
发明内容
帧内字段可以用于用虚拟局域网(VLAN)信息给帧加标签。实施方案可包含一个系统或互联网络，该系统或互联网络包括设置在一个源节点和一个目的节点之间的三个或更多个交换节点，其中(a)该三个或更多个交换节点中的一个第一交换节点可被配置为用一个第一虚拟局域网(VLAN)标志符给从源节点接收到的帧加标签，并且通过至少一个端口输出用该第一 VLAN标志符加标签的帧；(b)该三个或更多个交换节点中的一个第二交换节点可被配置为用一个第二 VLAN标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并且通过至少一个端口输出用该第二VLAN标志符加标签的帧；并且(c)该三个或更多个交换节点中的一个第三交换节点(图3)可被配置为禁止通过至少一个端口输出所接收到的具有该第一VLAN标志符的帧，并且其中该目的节点可被配置为接收(i)以下各项中的至少一个一个具有该第一 VLAN标志符的巾贞和一个具有该第二 VLAN标志符的巾贞,或(ii)以下各项中的至少一个一个剥离了其第一 VLAN标志符的第一巾贞和/或一个剥离了其第二 VLAN标志符的第二帧。该源节点可包含一个近实时控制器，该目的节点可包含一个网关和以下各项中的至少一个(I) 一个对这些接收到的帧中的有效载荷信息进行响应的效应器；(2) —个射频发射器；和(3) —个飞行传感器。附图简要说明通过举例但不限于附图中的图示展示了多个实施方案，并且在附图中图I是一个示例性顶层层系统图；图2是一个示例性交换机的顶层功能框图； 图3是一个示例性交换机的顶层功能框图；图4是一个实施方案的一个不例性顶层系统图5是一个实施方案的一个示例性顶层系统图；图6是另一个示例性顶层系统图；图7A是一个示例性交换机的一个顶层功能框图；并且图7B是一个示例性交换机的一个顶层功能框图。
具体实施例方式参照描绘示例性实施方案的附图。实施方案包括可以利用虚拟局域联网的多个方面的确定性的、未形成环路的分组路由系统和网络。虚拟局域网(VLAN)可体现为开放系统互联(OSI)模型的层2 (即数据链路层)，其中数据可按照帧来分割，并可通过媒质接入控制(MAC)来引用。VLAN可以利用以太网数据包或帧中可用的标签或标志符来识别可能与数据包相关联的VLAN。示例性VLAN实施方案可用于过滤来自于交换机的特定端口的数据流量。示例性VLAN实施方案可以执行与通信类型(如单播、多播)和传输协议(如传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP))无关的过滤功能。VLAN路由配置可以通过程序输入到多个网络交换机中每个交换机的非易失性存储器中。网络控制器、网络主机或OSI层3装置可以是具有处理器的节点，该处理器被配置为通过VLAN管理表(例如基于网络单元的ping响应)来动态调整端口路由。图I是一个示例性顶层系统
图100。在此，处理器可定义为一个计算机或计算装置，其中计算机装置包括一个中央处理器(CPU)和可寻址存储器，并且其中计算装置可通过可执行的机器可读指令、电路或二者组合来配置成具有特定计算装置的功能。网络可包括一个包括处理器的源节点110、一个包括处理器的目的节点120、和设置在节点间的一条或多条网络链路，如图I实例中的单向箭头和双向箭头所示。该源节点110可生成一个报文，比如用于目的节点120的命令。该示例性报文可以通过多个网络接口卡130、140来制备和传输。在图I的示例性图中，该源节点110通过两个网络接口装置130、140或可能是网络接口卡(NIC)的计算机电路板与网络相连接。然后，每个NIC可以连接至一个路由交换机131-134，例如，具有定向端口路由表的交换机。在图I的示例性网络中，该第一 NIC 130可向第一交换机(SW_1) 131传输，并且第一交换机可向第二交换机(SW_2)132传输。同样在图I的示例性网络中，该第二 NIC 140可以像第一 NIC 130—样向第四交换机(SW_4) 134传输相同的报文，第四交换机(SW-4)可向第三交换机(SW_3) 133传输。该第二交换机(SW_2) 132和该第三交换机(SW_3) 133可向目的节点传输数据包/数据报。因此，目的节点可以通过两个或多个信道接收来自一个源节点的冗余报文。在一些实施方案中，交换机可通过两个或更多个信道(如VLAN_1和VLAN_2)接收来自一个源节点110的冗余报文，删除VLAN标签，调和数据包中的冗余，并向目的节点120提供已调和的无标签的数据包。
图2是一个示例性交换机200的顶层功能框图。图2中描绘的该交换节点210被配置为用一个第二 VLAN(如VLAN_2)标志符给通过端口 _1211接收到的来自于源节点110的帧加标签，并参照路由表216通过至少一个端口 211-213输出用第该二 VLAN标志符加标签的帧。参照图I和图2，基于端口的VLAN包括网络中的节点，该网络可发送没有VLAN标签的标准数据包，例如无标签以太网数据包145、147。当该无标签的数据包145到达第一网络交换端口(SW_1) 131时，将会对其进行检查。如果检查交换机发现该数据包没有标签，它可以将分配给接收无标签的数据包145的特定端口 151的标签添加到该数据包，例如VLAN_1可以是分配给通过端口号一 211接收到的数据包的标签。检查交换机通过处理215和参照端口路由表216来确定其余的输出端口(即除了该即时接收端口外的一个或多个端口)中哪些也是被配置为用于VLAN_1。对于配置为用于VLAN_1的检查端口的每个交换端口，转发该刚被加标签的数据包，例如，至端口 _2212和端口 _3213。在到达下一个网络交换机(SW_2)132(在本例中是第二个)时，该数据包将会被检查。如果该第二网络交换机132识别了该VLAN_1标签，然后对于配置为用于VLAN_1的第二检查端口的每个交换端口，转发该用VLAN_1加标签的数据包。在一些实施方案中，该目的节点包括一个接收端口和被配置为删除接所收到的数据包中VLAN标签的电路。图3是示例性交换机300的顶层功能框图。图3示出的示例性交换节点310被配 置为禁止通过至少一个端口 311-314输出通过端口 _2312接收到的具有第一 VLAN标志符(如VLAN_1)的数据包。例如，交换节点310通过处理315和参照端口路由表316确定具有第一 VLAN标志符的帧可以通过端口 _4314而不是通过端口 _3313来传输。参考图I和图3两图，端口 _1从SW_4处接收被标签为VLAN_2的数据包和从SW_1接收被标签为VLAN_1的数据包。该交换节点310可被配置为只通过端口 _4413输出用VLAN_2加标签的数据包。交换节点310可将用VLAN2加标签的帧输出至目的节点，在目的节点处删除标签并对这些数据包做进一步处理。因此，网络系统的实施方案可包括一个或多个目的交换机节点，其中目的节点交换机是具有到目的节点120的直接链路的节点，即，在目的交换机节点和目的节点之间没有其他的交换节点。在一些实施方案中，当到达目的交换机节点后，将会从数据包中删除VLAN_1或VLAN_2标签并然后可以将该数据包转发至目的节点120，如图I中所示的无标签的数据包146、148。图4是一个互联网络400的一个示例性顶层框图，其中源节点410具有两个NIC卡415、425以与对应的网络段相连。每个NIC与对应的交换机相连。NIC_1415与SW_1420相连，NIC_2425与SW_6430相连。每个所示的交换机具有4个端口，也可以有更多或更少个，来支持不同的实施方案。通过这个展示性网络例如，一个第一目的节点(目的节点_1) 440从SW_1420和SW_6430都可以接收数据包；一个第二目的节点(目的节点_2) 450从SW_2435和SW_5445都可以接收数据包；一个第三目的节点(目的节点_3)460可从SW_3455接收数据包。在这个实施方案中，SW_6430被配置为不输出具有VLAN_1标签的数据包，并且Sff_1420被配置为不输出具有VLAN_2标签的数据包。示出的SW_2435被配置为只有一个端口 436可输出具有VLAN_2标签的数据包，而SW-5445被描绘成只有一个端口 446可输出具有VLAN_1标签的数据包。因此，该示例性网络没有使得有用于该实例的任何VLAN标签的数据包形成环路。也就是说，在互联网络的一些实施方案中，交换节点(SW_1至SW_6)中的至少有一个可被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用第一 VLAN标志符(即VLAN_1标签)加标签的帧，并从而排除循环逆时针传输的可能性(如图4)。同样，在互联网络的一些实施方案中，交换节点(SW_1至SW_6)中的至少有一个可被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用第二 VLAN标志符(即VLAN_2标签)加标签的帧，并从而排除循环顺时针传输的可能性(如图4，虚箭头路径)。图5是一个互联网络500的一个示例性顶层框图，其中一个第一控制器节点510可以具有两个NIC卡515、525以与对应的网络段相连。每个NIC与对应的交换机相连。NIC_1515与SW_1535相连，NIC_2525与SW_6545相连。此外，第二控制器节点550可以具有两个NIC卡555、565以与对应的网络段相连。每个NIC与对应的交换机相连。NIC_3555与SW_3540相连，NIC_4565与SW_4560相连。每个所示的交换机具有4个端口，也可以有更多或更少个，来支持不同的实施方案。通过这个展示性网络一个第一目的节点(目的节点_1) 570从SW_1535和SW_6545都可以接收数据包；一个第二目的节点(目的节点_2) 580从Sff_2575和SW_5585都可以接收数据包；一个第三目的节点(目的节点_3) 590从SW_3540和SW_4560都可以接收数据包。在这个实施方案中，SW_6545被配置为不输出具有VLAN_1标签的数据包，并且SW_1535被配置为不输出具有VLAN_2标签的数据包。示出的SW_2575被配置为只有一个端口 536可输出具有VLAN_2标签的数据包，而示出的SW-5585只有一个端口 586可输出具有VLAN_1标签的数据包。因此，该示例性网络没有使得用于该实例的任何VLAN标签的数据包形成环路。此外，第一控制器节点510和第二控制器节点550可以被 预设或调整主网络控制器的角色，而其他控制器节点跟踪网络活动、监控网络组件/节点健康信号和/或指标、并被配置为基于外部输入和/或超过预定义网络健康状态阈值的事件将当前网络控制器替换为主网络控制器。图6是与图I类似的示例性顶层系统图600。图6描绘了到包括一个处理器的控制器节点610、包括一个处理器的目的节点620和设置于节点间的网络链路的通信。该目的节点620可生成一个报文，比如用于控制器节点610的反馈信号。该示例性报文可由目的节点620的电路或本例中其功能为目的节点交换机的最近的交换机SW_2132来制备和用第三VLAN标签(例如VLAN_3)加标签650。该带标签的报文可通过路由交换机(比如Sff_113U Sff_3133和/或SW_4134)来传输651-653，并被控制器节点610的多个网络接口卡630、640接收。因此，该控制器节点可通过两个或更多个信道(即允许路由用VLAN_3加标签的报文的信道)接收来自一个目的节点620的冗余报文。在一些实施方案中，交换机通过两个或更多个信道接收来自一个目的节点的冗余报文、删除VLAN_3标签、调和数据包中的冗余、并向控制器节点610提供已调和的无标签的数据包。因此，网络接口 _1630可从Sff_1131接收无标签的数据包645，并且网络接口 _2640可从sw_4134接收无标签的数据包647。图6还描绘了一种网络结构，该结构支持用于目的节点的冗余路径，比如到网络只有一条物理链路的致动器或传感器，例如一条无标签路径646。如图I所披露，该网络配置支持来自控制器节点110上的两个接口(NIC) 130、140中每一个接口的报文路径，该路径可以使用两个单向VLAN，即两个单向非对称VLAN配置VLAN_1和VLAN_2来建立。图I的配置允许引导来自该控制器节点110的两个接口(NIC)的报文数据包通过不同的路径穿过控制器节点110和致动器/传感器620间的交换机131-134网络。为该数据包选择的这两条路径在跳数或速度方面可能不是最优的，而是可以被选择为在其他路径发生中断的情况下能够使得一条路径保持有效的概率最大。该配置使用两个VLAN，即使一个单独的点失效(比如SW_1131、Sff_3133或SW_4134失效)仍可实现性能的连续性和传输数据的完整性。图6描绘了从致动器/传感器620到控制器610上的两个物理接口(NIC) 630、640的返回路径，该路径可通过使用一个第三VLAN(比如VLAN_3)来建立。从目的节点620到控制器节点610的返回数据包可以从致动器/传感器620广播，并通过使用第三单向VLAN-与非对称VLAN配置方向相反沿着两条或更多条路径返回到控制器610的两个接口(NIC)630、640。为这些数据包选择的这两条或更多条路径在跳数或速度方面可能不是最优的，而是可以被选择为在其他路径发生中断的情况下能够使得一条路径保持有效的概率最大。因此，该返回路径实施方案使用至少一个附加的VLAN。从第一 NIC 630到目的节点620的路径由VLAN_1来确定。从第二 NIC 640到目的节点620的路径由VLAN_2来确定。从目的节点620到第一 NIC 630和第二 NIC 640 二者的返回路径由VLAN_3确定。可由致动器/传感器620或在本例中由SW_2132在数据包到达交换端口时执行用VLAN_3标签给数据包加标签。对交换机可以通过哪个物理端口发送返回报文的数据包以便到达NIC的以太网地址的学习和随后的查找可以与VLAN标签无关。与原输出VLAN标签无关的返回路由允许每个输出VLAN的返回数据包被路由返回至正确的端口(例如，通过VLAN 3标签)。图7A是一个示例性交换机700的顶层功能框图。图7A示出的示例性交换节点710被配置为目的节点，以便在一些实施方案中，当数据包到达目的交换机节点时，可以从该数据包删除VLAN_1或VLAN_2标签，并然后可以将该数据包转发至目的节点。在本例中并参照图I，交换节点710在端口 _1711可以接收来自SW_1131带有VLAN_1标签的数据包，可以在端口 _2712接收来自SW_3133带有VLAN_2标签的数据包，并可选地可以在端口 _3713接收来自SW_4134带有VLAN_2标签的数据包。通过处理和去标签715，并参照端口路由表716，该交换节点可通过端口 _4714向目的节点输出无标签的帧。图7B是图7A中示例性交换机700的顶层功能框图，在图7A中该交换节点710被描绘为在端口 _4714接收来自目的节点的无标签的数据包。通过处理和加标签715，该交换节点710被描绘为通过两个或更多个端口输出数据包通过端口 _1711向SW_1输出带VLAN_3标签的数据包；通过端口 _2712向SW_3输出带VLAN_3标签的数据包；并可选地通过端口 _3713向SW_4输出带VLAN_3标签的数据包。示例性网络可采用轻量级传输协议，如用户数据报协议(UDP)。考虑到与多个装置(如传感器(例如姿态、高度、温度、压力、全球定位卫星接收器输出和/或捷联导航传感器)、无线收发器、发动机控制器和驱动装置)通信，目的节点可与网关相连。示例性网络可体现为交通工具(如陆上交通工具、飞行器和/或航海器)一部分的实时通信网络。实施方案可容易地按比例放大，其中控制器节点可包括三个或更多个网络接口电路，并因此可配置三条或更多条VLAN输出路径。返回路径仍可作为一个单独的VLAN，相当于输出VLAN的返回超集，或可以配置附加的返回VLAN路径。可以认识到可以对上述实施方案的特定特征和方面作出不同的组合和/或子组合，而仍属于本发明的范畴。因此，应当了解到本披露实施方案的不同特点和方面可以相互 结合或替换以组成本披露发明的不同模式。进一步地，通过举例披露的本发明的范围不由以上描述的具体披露实施方案所限制。
权利要求
1.一种互联网络，该互联网络包括设置在一个源节点和一个目的节点之间的三个或更多个交换节点，其中 该三个或更多个交换节点中的一个第一交换节点被配置为用一个第一虚拟局域网(VLAN)标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第一 VLAN标志符加标签的帧； 该三个或多个交换节点中的一个第二交换节点被配置为用一个第二 VLAN标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第二 VLAN标志符加标签的帧；并且 该三个或多个交换节点中的一个第三交换节点被配置为禁止通过至少一个端口输出所接收到的具有该第一 VLAN标志符的帧；并且，其中该目的节点被配置为接收以下各项中的至少一个一个具有该第一 VLAN标志符的帧和一个具有该第二 VLAN标志符的帧。
2.如权利要求I所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第一 VLAN标志符加标签的中贞。
3.如权利要求I所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第二 VLAN标志符加标签的帧。
4.如权利要求I所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器。
5.如权利要求I所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器和与该第一交换节点通信性相连的一个第一网络接口电路及与该第二交换节点通信性相连的一个第二网络接口电路。
6.如权利要求I所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个对这些接收到的中贞中的有效载荷信息进行响应的效应器。
7.如权利要求I所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个射频发射器。
8.如权利要求I所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个飞行传感器。
9.一个互联网络，该互联网络包括设置在一个源节点和一个目的节点之间的三个或更多个交换节点，其中 该源节点包括(a) —个近实时控制器；(b)与该第一交换节点通信性相连的一个第一网络接口电路，该第一网络接口电路被配置为用一个第一虚拟局域网(VLAN)标志符给一个帧加标签；(c)和与该第二交换节点通信性相连的一个第二网络接口卡，该第二网络接口电被路配置为用一个第二虚拟局域网(VLAN)标志符给一个帧加标签； 该三个或更多个交换节点中的一个第一交换节点被配置为通过至少一个端口输出用该第一 VLAN标志符加标签的巾贞； 该三个或更多个交换节点中的一个第二交换节点被配置为通过至少一个端口输出用该第二 VLAN标志符加标签的巾贞；并且 该三个或更多个交换节点中的一个第三交换节点被配置为禁止通过至少一个端口输出所接收到的具有该第一 VLAN标志符的帧；并且其中该目的节点被配置为接收以下各项中的至少一个一个具有该第一 VLAN标志符的帧和一个具有该第二 VLAN标志符的帧。
10.如权利要求9所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第一 VLAN标志符加标签的中贞。
11.如权利要求9所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第二 VLAN标志符加标签的帧。
12.如权利要求9所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个对这些接收到的帧中的有效载荷信息进行响应的效应器。
13.如权利要求9所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个无线射频发射器。
14.如权利要求9所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个飞行传感器。
15.一个互联网络，该互联网络包括设置在一个源节点和一个目的节点之间的三个或更多个交换节点，其中 该三个或更多个交换节点中的一个第一交换节点被配置为用一个第一虚拟局域网(VLAN)标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第一 VLAN标志符加标签的帧或一个用一个第三VLAN标志符加标签的帧； 该三个或多个交换节点中的一个第二交换节点被配置为用一个第二 VLAN标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第二 VLAN标志符或该第三VLAN标志符加标签的帧；并 该三个或多个交换节点中的一个第三交换节点被配置为禁止通过至少一个端口输出所接收到的具有该第一 VLAN标志符的帧，并用该第三VLAN标志符给从该目的节点接收到的一个巾贞加标签。
16.如权利要求15所述互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第一 VLAN标志符加标签的中贞。
17.如权利要求15所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用第二 VLAN标志符加标签的帧。
18.如权利要求15所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器。
19.如权利要求I所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器和与该第一交换节点通信性相连的一个第一网络接口卡及与该第二交换节点通信性相连的一个第二网络接口卡。
20.如权利要求15所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个对这些接收到的帧中的有效载荷信息进行响应的效应器。
21.如权利要求15所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个射频发射器。
22.如权利要求15所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个飞行传感器。
23.一个互联网络，该互联网络包括设置在一个源节点和一个目的节点之间的三个或更多个交换节点，其中该目的节点包括用一个第三虚拟局域网(VLAN)标志符给一个或多个帧加标签的电路； 该三个或更多个交换节点中的一个第一交换节点被配置为用一个第一虚拟局域网(VLAN)标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第一 VLAN标志符加标签的帧或一个用该第三VLAN标志符加标签的帧； 该三个或多个交换节点中的一个第二交换节点被配置为用一个第二 VLAN标志符给从该源节点接收到的帧加标签，并通过至少一个端口输出用该第二 VLAN标志符或该第三VLAN标志符加标签的帧；并 该三个或多个交换节点中的一个第三交换节点被配置为禁止通过至少一个端口输出所接收到的具有该第一 VLAN标志符的帧；
24.如权利要求23所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点、该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第一 VLAN标志符加标签的中贞。
25.如权利要求23所述的互联网络，其中以下各项中的至少一个该第一交换节点、该第二交换节点和该第三交换节点被配置为阻止传输所接收到的一个数据包，该数据包包括用一个第二 VLAN标志符加标签的帧。
26.如权利要求23所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器。
27.如权利要求I所述的互联网络，其中该源节点包括一个近实时控制器和与该第一交换节点通信性相连的一个第一网络接口卡及与该第二交换节点通信性相连的一个第二网络接口卡。
28.如权利要求23所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个对这些接收到的帧中的有效载荷信息进行响应的效应器。
29.如权利要求23所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个射频发射器。
30.如权利要求23所述的互联网络，其中该目的节点包括一个网关和一个飞行传感器。
全文摘要
一种包括多个基于端口的VLAN的分组交换、容错、交通工具通信互联网络(100，400，500)。两个或更多个VLAN体现在以下情形中一个源节点(110，410，510，610)包括两个或更多个网络接口电路(130、140、415、425、515、525、630、640)，并通过特定VLAN加标签和与至少一个特定VLAN相关联的交换端口(131-134，200，300、420，430，435，445，455，465，535，540，545，560，575，585)来防止形成环路。一个目的节点(120，440，450，460，570，580，590，620)可通过一个通用VLAN标签沿着与该两个或更多个特定输出VLAN标签相关联的路径向源节点反馈数据包。
文档编号G06F15/16GK102640134SQ201080050293
公开日2012年8月15日 申请日期2010年9月22日 优先权日2009年9月23日
发明者W·S·塞奇里斯特, 丹尼尔·贝利·希拉纳丹尼, 罗兰·米切尔·科奇 申请人:威罗门飞行公司