Rstp 网络的双环交换的制造方法
【专利摘要】用于工业自动化系统的双环计算机网络体系结构，该结构包括用于互相连接例如快速生成树协议（RSTP）网络的两个网络的双环交换机。双环交换机可在两个网络之间提供分开的控制平面，但在网络之间提供共同的数据平面。系统拓扑可包括主环和副环，这产生用于隔离的分开的故障区域。使用这种结构，标准RSTP的32个设备的实际限制不再是限制，因为使用双环交换机提供了将设备总数扩展到高达256个，同时将网络恢复时间维持在50毫秒的目标以内的机制。这允许在单个交换机上使用RSTP协议的双环的使用。在另外一项实施方案中，两个双环交换机为了实现冗余被配置在同一个副环中。
【专利说明】RSTP网络的双环交换机
[0001]本申请要求提交于2011年6月30日的美国临时申请号61/502，861的优先权，其全文通过引用并入此文。
【背景技术】
[0002]在许多计算机系统中，特别是用于工业自动化和工业控制的那些计算机系统，网络可靠性和网络正常运行时间对于基础服务或基础操作的正在进行的操作是重要的。通常，网络故障被迅速隔离和网络立即恢复是重要的。因此，网络故障条件下的故障隔离和自动恢复对于更高带宽的网络和关键型任务的应用程序可能是重要的。甚至在典型的网络故障和恢复场景中，大约几百毫秒量级的延迟可能具有不良后果。
[0003]在典型故障恢复场景中，当故障发生时，数据流量从目前故障的路径被改程或转换到备份路径。根据实际的冗余策略，待机或备份数据路径可能是可能要求连接上的实际改变的专用路径，或者可能是活动路径或主路径的虚拟备份路径。目前提供网络中的冗余的软件方法可能要求网络上的设备分析或发现整个网络以确定备份路径。
[0004]快速生成树协议(RSTP)和HirschmannHIPER-环是两种这样的方法。在RSTP和HirschmannHIPER-环中，在可以实施改程之前必须发现整个网络,增加了用于故障恢复的网络停用时间。例如，在环形网络中的RSTP的使用有32个设备的实际上限以持续提供在50毫秒内的网络恢复时间。除了这种受限的可扩展性，依赖于网络配置，实施故障恢复的网络设备不能在停机时间期间或恢复期间与网络上的其它设备进行正常操作。
[0005]因此，尤其是对于工业自动化系统，存在提供可靠的和符合成本效益的解决方案的需要，可靠性和瞬时故障恢复对于这些较大的系统是重要的。
【发明内容】
[0006]根据一项实施方案，提供了双环网络体系结构。系统可包含配置在使用RSTP的第一个环形拓扑中的多个网络设备，配置为在使用RSTP的第二个环形拓扑中的多个网络设备，第二个环独立于第一个环，以及配置为第一个环和第二个环的部分的第一个交换机设备。该拓扑提供了主环和副环，两者产生用于隔离的分离的故障区域。双环交换机连接于两个独立的环之间。使用这种配置，标准RSTP的32个设备的实际限制不再是一个问题，因为使用双环交换机提供了将设备总数扩展到256个的机制，同时将网络恢复时间维持在50毫秒的目标以内。
[0007]根据另一个变体，提供了双环RSTP交换机。双环交换机包含与在第一个环形拓扑中配置的多个网络设备连接的第一个双端口以太网交换结构，与在第二个环形拓扑中配置的多个网络设备连接的第二个双端口以太网交换结构，第二个环独立于第一个环，以及配置为在第一个环和第二个环之间提供通信的与第一个和第二个双端口以太网交换结构都连接的处理器。这允许在单个交换机交换上使用(例如)RSTP协议的双环的使用。而且,主环和副环可各自使用RSTP协议用于冗余。
[0008]根据另一个变体，双环交换机与网络中另一个作为冗余伙伴交换机的双环交换机连接，两者均与主环和同样的副环连接。这种拓扑提供了针对双环交换机本身的故障的保护，防止网络中的单点故障。这对交换机作为虚拟交换机工作，使用虚拟路由器冗余协议(VRRP )的子集来进行协调。
[0009]因此，根据一些变体，对于具有高达256个设备的网络可实现50ms的快速恢复时间，包括在具有高达16个交换机的环中失去连接的情况下重新配置和向环上的所有交换机传输消息。而且，使用多个故障区域可在设备之间提供隔离以得到额外的可靠性和正常运行时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]可通过参阅考虑附图的下列描述来取得对本公开的更完整的理解，附图中的相似参考数字表示相似的特征，并且其中:
[0011]图1显不具有两个副环的双环网络拓扑。
[0012]图2A显示双环交换机的独立操作模式的网络拓扑。
[0013]图2B显示使用一对双环交换机的冗余操作模式的网络拓扑。
[0014]图3显示具有两个副环的双环网络拓扑的另一种实施方案，其中第二个副环使用一对以冗余模式操作的双环交换机。
[0015]图4是根据本公开的一个方面的双环交换机的简化方框图。
[0016]图5A和图5B是显示双环交换机的操作的流程图。
[0017]图6显示以冗余模式操作的双环交换机，以另一个双环交换机作为冗余伙伴交换机。
【具体实施方式】
[0018]现在参照图1，显示了带有两个副环102和103的主环101的多环计算机系统的网络拓扑。图中显示了在主环和每个副环上的多个网络设备，在工业自动化系统中，这些主环和副环将典型地包括例如可编程逻辑控制器(PLC)的网络控制器或与多个例如输入/输出
(IO)设备的其它设备相互作用的分布式输入/输出(DIO)控制器。双环交换机(DRS) 104连接并配置为在主环和第一个副环之间操作，而第二个双环交换机105连接并配置为在主环和第二个副环之间操作。
[0019]每个双环交换机支持两个网络环，即主环和副环。双环交换机通过在整合数据平面的同时保持两个环的控制平面分离来操作。通过保持每个网络的网络控制协议分离来分离控制平面。分离的控制平面也提供了具有分离的故障区域的能力，以防止故障从一个区域扩散到其它区域。主环是一个区域，而副环是另一个区域。主环可能具有附接到其上的许多副环。如从图1的拓扑可见，提供了三个分离的故障区域，即主环和两个连接的副环102和 103。
[0020]在一项实施方案中，主环和副环都是RSTP环。如以上所解释的，如果仅使用一个RSTP主环，为了持续提供50毫秒内的网络恢复时间，那么将有32个设备的实际上限。将网络分离为多个独立的副环允许设备总数扩大到256同时将网络恢复时间维持在50毫秒的目标以内。分离的控制平面也为副环提供了使其具有其自己的RSTP根的能力。这允许环的会聚和恢复在50毫秒内发生，因为现在它们并行地并且分布在主环和所有副环之中进行处理。
[0021]图2A和2B显示双环交换机可有两种操作模式:独立模式和冗余模式。在独立模式(图2A)，单个交换机在主环和副环之间连接并配置为独立于任何其它交换机进行操作。如果连接丢失发生于副环网络，DRS将重新配置副环并向主环上的所有交换机传输消息。
[0022]然而，如果想要在副环中免受DRS自身的故障，那么可使用如图2B所示的冗余操作模式。这里，双环交换机作为冗余伙伴交换机与另一个双环交换机连接，如图所示，两者均连接至主环和同一个副环。这种配置防止网络中具有单点故障，因为该对交换机作为虚拟交换机工作。
[0023]这可以利用使用虚拟路由器冗余协议(VRRP)的子集进行调节的交换机来实现。关于VRRP的信息公开可用，因为它是互联网工程任务组(IETF)标准。以下提供了结合图6的关于一项实施方案的进一步详情。
[0024]图3显示具有两个RSTP副环305和306的双环RSTP网络拓扑的另一项实施方案，其中第二个副环使用一对以冗余模式操作的双环交换机303和304。而且，可以看到有三个分离的故障区域(与单个RSTP主环的单个故障区域相反)，并且第二个副环具有两个双环交换机，每个交换机都以冗余模式操作。
[0025]现在根据图4，显示了双环交换机401的简化方框图。双环交换机可包含两个以太网交换机结构404和405，以及处理结构间的通信的通信核心处理器406。一个交换机结构与主环402互相连接，而另一个交换机结构与副环403互相连接。多个交换机结构互相连接以提供数据通信。
[0026]通信核心处理器406可包含允许主环和副环并行操作的双核处理器。主环通信块可包括专用于处理主以太网环上的快速生成树协议(RSTP )消息的一个处理器核心中的固件镜像，而副环通信块是专用于处理以太网副环上的RSTP消息的另一个处理器核心中的固件镜像。在一项实施方案中，以太网交换结构可包含MarvellLinkstreet6165或6351交换芯片。双核处理器可包含具有在主环通信固件和副环通信固件之间的双核接口支持的STMicroSPEAr600o
[0027]图5A是一个显示图4的双环交换机的以太网交换结构的操作的流程图。该交换结构流程图描述主环或副环的连接于以太网媒体相关的接口(MDI)的上部交换结构的操作。显示于图5A的左边、中间和右边的所有三个子程序同时运行。在左边的子程序流程图中，在步骤501，在交换结构端口接收到来自相应的以太网环的消息。接着，在步骤502，对消息进行测试以确定它是否是RSTP消息。如结合下面的图5B所描述的，如果它是RSTP消息，采取下面的路径(步骤504)，其中交换结构将RSTP消息转发给环通信核心进行进一步处理。如果它不是RSTP消息，则采取步骤503，其中交换结构将非-RSTP消息转发给另一个交换结构。
[0028]在图5A中间的子程序流程图中，在步骤505，如果交换结构从另一个交换结构接收到非-RSTP消息，它仅仅将消息转发到以太网环上(步骤506)。这样做的目的是让双环交换机传递打算传送给另一个环的非-RSTP消息。
[0029]在图5A右边的子程序流程图中，在步骤507，如果交换结构从通信核心接收到RSTP消息(这将在下面结合图5B进行描述)，交换结构将消息转发给其相关的以太网环(步骤508)。这样做的目的是防止双环交换机将RSTP消息传送给另一个环。[0030]图5B是显示图4的双环交换机的通信核心处理器的操作的流程图。该操作也与交换结构的操作同时运行。在步骤509，在接收到以太网环交换结构的消息之后，通信核心处理器确定该消息是否是RSTP消息，然后根据熟知的IEEE802.1D-2004标准处理所述每个消息(步骤510)。这将包括检测网络中的故障，通过发送拓扑改变通知将故障通知给环上的其它设备，并实施故障恢复程序。关于这些步骤的更详细信息可从公开可用的IEEE802.1D-2004 标准获取。
[0031]在完成该RSTP消息处理后，通信核心然后将通过同一个以太网环交换结构将消息发送出去，即，通过消息进入的同一个环(步骤511)。
[0032]现在转向图6，显示使用两个双环交换机(S卩，图2B中的双环交换机)的冗余操作模式的一个变体的进一步详情。在主环(图6的顶部)和副环(图6的底部)中均可将活动伙伴交换机(双环交换机601)和待机伙伴交换机(双环交换机602)连接在一起。活动伙伴交换机601包括由通信处理器610控制的第一个以太网交换结构(ESF) 603和第二个以太网交换结构(ESF)604。相似地，待机伙伴交换机602包括由通信处理器609控制的ESF607和 ESF608。
[0033]活动伙伴交换机601通过工作端口 Wl和W2连接到多个环，待机伙伴交换机602通过环工作端口 W3和W4连接到多个环。活动伙伴交换机601的ESF603分别通过冗余伙伴交换机端口 Pl和P3连接于待机伙伴交换机602的ESF607。相似地，活动伙伴交换机601的ESF604分别通过冗余伙伴交换机端口 P2和P4连接于待机伙伴交换机602的ESF608。
[0034]活动伙伴交换机601的以太网交换结构603和604通过端口 605连接，然而在待机伙伴交换机内的主环ESF和副环ESF之间的端口连接被阻断(由待机伙伴交换机602中的虚线606表示)。
[0035]在一个变体中，主环中与根交换机最近的伙伴交换机可被选择作为活动伙伴交换机(即，图6的左边)。另一个伙伴交换机(图6中的元件602)将被视为待机伙伴交换机。
[0036]如果一个伙伴交换机被指定为快速生成树协议(RSTP)的根交换机，那么它将作为活动伙伴交换机启动。另一个伙伴交换机将作为待机和备份根交换机启动。
[0037]活动交换机和待机交换机均参与相应的RSTP协议(主环和副环)，除了以下情况:两个伙伴交换机端口(主环端口 Pl和P3，和副环端口 P2和P4)均不能被阻断。
[0038]在那种情况下，阻断的端口将被移往各自环(主环端口 W3和副环端口 W4)上的待机交换机的工作端口。
[0039]在一个或多个变体中，可能会发生下面的故障检测和恢复。
[0040]首先，设想在主环上有故障。下面描述了三个不同的场景。
[0041](A)如果在活动伙伴交换机工作端口(Wl)连接中有中断，活动伙伴交换机将通过在其伙伴交换机端口(Pl)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅仅对主环ESF603进行清理。待机伙伴交换机将在其伙伴交换机端口(P3)上接受RSTPTCN，在其工作端口(W3)上转发RSTPTCN，然后仅仅对其主环ESF607进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0042](B)如果在待机伙伴交换机工作端口(W3)连接中有中断，待机伙伴交换机将通过在其伙伴交换机端口(P3)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅仅对其主环ESF607进行清理。活动伙伴交换机将在其伙伴交换机端口(Pl)上接受RSTPTCN，在其工作端口(Wl)上转发RSTPTCN，然后仅仅对其主环ESF603进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0043](C)如果在伙伴交换机端口连接(端口 Pl或P3)中有中断，活动伙伴交换机将通过在其工作端口(Wl)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅仅对其主环ESF603进行清理。待机伙伴交换机将通过在其工作端口(W3)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅对其主环ESF607进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0044]第二，假设活动伙伴交换机有故障。在某些变体中，待机伙伴交换机定期产生从伙伴交换机端口之一(即P3)输出的心跳消息，该消息旨在通过其伙伴交换机端口(即，端口Pl和P2)穿过活动伙伴交换机。待机伙伴交换机应在特定的时期内在其其它伙伴交换机端口(即P4)接收心跳消息。如果待机伙伴交换机未在特定时期内接收到心跳消息，待机伙伴交换机将在主环和副环上均启动RSTP拓扑变化通知，并激活其ESF607和ESF608之间的连接(即，激活图6中的虚线606)。待机伙伴交换机然后将进而演变成活动伙伴交换机。所有副环流量现在将流经新的活动伙伴交换机。
[0045]第三，将该对交换机考虑为主环或副环中的根，以下讨论三个可能场景。
[0046](A)如果在活动伙伴交换机工作端口(Wl或W2)连接中有中断，活动伙伴交换机将通过在其伙伴交换机端口(Pl或P2)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅对适当的ESF进行清理。待机伙伴交换机将在其伙伴交换机端口(P3或P4)上接受RSTPTCN,在其工作端口(W3或W4)上转发RSTPTCN，然后仅对适当的ESF进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0047](B)如果在待机伙伴交换机工作端口(W3或W4)连接中有中断，待机伙伴交换机将通过在其伙伴交换机端口(P3或P4)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅对适当的ESF进行清理。活动伙伴交换机将在其伙伴交换机端口(Pl或P2)上接受RSTPTCN,在其工作端口(Wl或W2)上转发RSTPTCN，然后仅对适当的ESF进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0048](C)如果在伙伴交换机端口连接中有中断，活动伙伴交换机将通过在其工作端口(Wl或W2)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅对主环ESF603进行清理。待机伙伴交换机将通过在其工作端口(W3或W4)上产生RSTP拓扑变化通知(TCN)来启动拓扑变化，然后仅对主环ESF进行清理。主环然后应通过环上其它成员的RSTPTCN处理来进行恢复。所有副环流量将继续流经活动伙伴交换机。
[0049]以上描述的功能和步骤可通过硬件和/或存储在有形的计算机可读介质(例如，存储器)中的软件实施，并通过各种计算设备或装置执行，例如包括一个或多个以软件编程的处理器的服务器计算机。
[0050]图中功能块之间的划分仅仅是说明性的，计算设备和其它设备的实际划分可与功能划分不同。而且，一些功能块或所有的功能块可功能性地和/或实际上被合并或进一步细分。
[0051]除非另有明确说明，本文的方法权利要求的步骤(和相应的功能元件)不应被限制于以其被叙述的顺序进行。
[0052]以上公开的主题将被认为是说明性的，而不是限制性的，并且所附的权利要求旨在涵盖所有落入本公开的真正精神和范围内的这样的修改、增强和其它的实施方案。因此，在法律允许的最大程度内，该范围将通过以下权利要求和其等同物的最广泛的可允许的解释来确定，并不应被上述详细描述限制或限定。
【权利要求】
1.一种双环以太网网络系统，包含: 被配置在第一个环形拓扑中的多个网络设备； 被配置在独立于所述第一个环的第二个环形拓扑中的多个网络设备；以及 第一个交换机设备，其被配置为所述第一个环和第二个环的部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其还包含第二个交换机设备，所述第二个交换机设备被配置为所述第一个环和第二个环的部分，并配置为和所述第一个交换机设备成冗余模式操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一个交换机设备配置为: 确定所述第二个环上的设备是否是可操作的；以及 通知所述第一个环上的所述网络设备所述第二个环是否是可操作的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一个环形拓扑和第二个环形拓扑均根据快速生成树协议RSTP操作。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一个环形拓扑包含超过32个设备。
6.根据权利要求1所述的系统，其中配置在所述第二个环上的所述网络设备包括多个I/O设备。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一个交换机设备被配置为在所述第一个环形拓扑和所述第二个环形拓扑之间操作分开的控制平面，但在所述第一个环形拓扑和所述第二个环形拓扑之间操作整合的数据平面。`
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一个交换机设备和第二个交换机设备是互相连接的，并且其中所述第二个交换机设备被配置为当在所述冗余模式操作时，在所述第一个环形拓扑和所述第二个环形拓扑之间利用阻断的端口操作。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二个交换机配置为在检测到所述第一个交换机设备的故障时，接通所述阻断的端口。
10.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二个交换机设备被配置为向所述第一个交换机设备发送心跳消息，并且，在确定未收到对心跳消息的响应时，将其自身配置为活动的、非冗余模式。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一个交换机设备包含: 第一个双-端口以太网交换结构，其用于连接到配置在使用RSTP的所述第一个环形拓扑中的所述多个网络设备； 第二个双-端口以太网交换结构，其用于连接到配置在使用RSTP的所述第二个环形拓扑中的所述多个网络设备；以及 处理器，其连接到所述第一个双-端口以太网交换结构和所述第二个双-端口以太网交换结构二者，被配置为在所述第一个环和所述第二个环之间提供通信。
12.—种双环交换机，其包含: 第一个双-端口以太网交换结构，其用于连接到配置在第一个环形拓扑中的多个网络设备； 第二个双-端口以太网交换结构，其用于连接到配置在独立于第一个环的第二个环形拓扑中的多个网络设备； 处理器，其连接到所述第一个双-端口以太网交换结构和所述第二个双-端口以太网交换结构二者，被配置为在所述第一个环和第二个环之间提供通信。
13.根据权利要求12所述的双环交换机，其中所述第一个环形拓扑和所述第二个环形拓扑中的至少一个根据RSTP操作。
14.根据权利要求12所述的双环交换机，其中所述处理器被配置为检测与它互相连接的另一个双环交换机的故障，并且，作为响应，将其自身配置为活动的、非冗余模式。
15.根据权利要求12所述的双环交换机，其中所述第一个双端口以太网交换结构和所述第二个双端口以太网交换结构被配置为具有当所述双环交换机以冗余模式作用时阻止数据在所述第一个环形拓扑和第二个环形拓扑之间穿过的被阻断的端口，以及当所述双环交换机处于活动模式时允许数据在所述第一个环形拓扑和所述第二个环形拓扑之间穿过的未阻断的端口。
16.根据权利要求12所述的双环交换机，其中所述处理器被配置为接收消息并且: 响应于确定所述消息是网络配置消息，将所述消息转发给所述第一个环形拓扑；并且 响应于确定所述消息不是网络配置消息，将所述消息转发给所述第二个环形拓扑。
17.—种管理计算机网络中的故障的方法，所述方法包含: 提供具有连接于两个环之间的双环交换机的双环网络； 检测所述两个环中的一个中的故障； 发送拓扑变化 通知；并且 响应所述拓扑变化通知，重新配置所述网络。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述两个环中的至少一个根据RSTP操作。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述双环交换机被配置为在所述两个环之间提供分开的控制平面，但是在所述两个环之间提供整合的数据平面。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述双环交换机被配置为:当以冗余模式操作时在第一个以太网交换结构和第二个以太网交换结构之间利用内部阻断的端口进行操作，并且当以活动模式操作时在所述第一个以太网交换结构和所述第二个以太网交换结构之间利用未阻断的端口进行操作。
21.根据权利要求17所述的方法，其还包含提供第二个双环交换机并将所述第二个双环交换机与所述双环交换机相互连接以按冗余模式操作。
【文档编号】H04L12/46GK103733572SQ201280040186
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】乔治·A·迪策尔三世 申请人:施耐德电器工业公司