基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法技术

本发明专利技术公开了基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，系统由多个主控设备、交换设备以及终端设备链接组网构成。采用集中分布式的控制架构，由多个主控设备组成网络传输控制器，控制各个交换设备的实时报文转发路径。主控制器采集整网实时拓扑信息，通过对不同通道的时延、带宽和误码率进行比较，使用Dijkstra算法找到其中的多个最优转发路径。在实时发送终端构建多个冗余报文，多个通路的交换机依照网络传输制器下发的流表进行转发，并在实时接收终端综合不同路径、不同时间到达的冗余报文，实现高可靠性通讯，提高了信息传输冗余度，从根本上提高工业控制系统的可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法


[0001]本专利技术属于互联网
，涉及互联网数据链路层的冗余协议，具体涉及基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法。

技术介绍

[0002]高可用性对于工业以太网和基于以太网的控制系统至关重要，例如高铁自动控制系统和变电站自动化系统。由于标准以太网不支持容错能力，因此可以通过使用冗余协议来提高以太网的高可用性。以太网的各种冗余协议已经被开发和标准化，例如快速生成树协议(RSTP)、媒体冗余协议(MRP)、并行冗余协议(PRP)、高可用性无缝冗余(HSR)等。其中RSTP和MRP在网络中提供冗余，缺点是存在切换延迟。而PRP和HSR在端节点中提供无缝冗余，可以提供零恢复时间，但PRP需要重复的网络基础设施，而HSR主要用于基于环的拓扑。因此现有的冗余协议存在效率不高、协议复杂的问题，且无法向网络用户提供灵活定义功能。
[0003]传统数据交换设备一般由控制面、数据面及管理面组成，其中管理面与控制面总是具有较高的耦合性，而兼容实时同步通信的可定义以太网将控制面从原先架构中分离出来，形成了应用层、控制层及转发层三层架构，可以简化交换设备使其成为受远程软件控制的转发装置，使得网络配置和故障响应都变得更加容易。使用兼容实时同步通信的可定义以太网实现网络设备之间的通信，需要控制器、交换设备以及终端设备，其中控制器用于控制调度表、高优先级静态流表以及低优先级动态流表的下发，所述交换设备以及终端设备基于时钟校准模块进行全局/区域时间同步，终端设备作为发送端将网络消息发送至交换设备，所述交换设备接收网络消息后根据控制器下发的调度表与流表类型，发送网络消息至对应的接收端。在兼容实时同步通信的可定义以太网中，网络消息被划分为实时控制消息(Real
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time Message,RM)以及常规消息(Normal Message,NM)。对于RM类消息的传输，由发送端根据全局同步时间周期性触发，交换机经过定时触发的高优先级静态流表进行转发，最终在预期的时间窗口内被接收端接收；而NM类消息则是由各个节点根据事件随机触发，发送端发送NM消息时，将等待直到该发送端周期性触发的RM消息发送时间窗口结束后再进行发送。
[0004]基于兼容实时同步通信的可定义以太网设计相应的冗余协议，可以从链路上实现实时控制消息的高安全性和高冗余度，提高以太网的高可用性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，采用集中分布式的控制架构，由多个主控设备组成网络传输控制器，控制各个交换设备的实时报文转发路径，实现主控制器、通讯链路和设备端口上的冗余。
[0006]基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1、搭建兼容实时同步通信的可定义以太网系统，包括多个交换设备、主控设
备和终端设备。在该以太网系统中，每一对需要进行实时控制信息通讯的终端设备之间具有多条可以使用的信息通路，且至少有一个终端设备作为主控制器，实现整网的实时控制、调度。所述主控制器作为集中式通信拓扑管理设备，可以采用冗余方式，由多个主控制器协同实现网络传输控制功能，各个交换设备作为分布式通信拓扑管理设备，与主控制器共同组成基于兼容实时同步的可定义以太网的网络通信拓扑实时管理架构。
[0008]步骤2、基于同步协议进行整网的时间同步，主控设备获取终端设备间的线路时延。交换设备采集各端口单位时间发送数据量、接收数据量以及误码率，发送到主控设备，并由主控设备存储在数据库中。交换设备通过一个从控制器，管理与自身相关的数据。
[0009]步骤3、主控设备根据步骤2中采集的数据与线路时延，在任意两个源终端设备与接收终端设备之间，挑选其中最优的n条通路作为这两个终端设备间的冗余通路，完成流表优化，并按顺序将流表分发给交换设备。所述流表的内容包括源mac、目的mac、冗余包序号和对应交换设备的转发端口。其中冗余包序号表示交换设备所属的通路。
[0010]作为优选，在流表优化过程中，两个终端设备间最优通路的评判标准为线路时延、线路带宽占用率、线路误码率中的一种或多种。
[0011]作为优选，采用Dijkstra算法选择最优通路，完成流表优化。
[0012]步骤4、选定n条通路后，源终端设备对待发送的实时控制消息进行复制，复制后的消息包数量不超过n个。然后在计算每个消息包的CRC校验值之前，在以太网类型字段插入id，并在CRC前的最后一个字节中插入该消息包对应的冗余包序号。
[0013]步骤5、交换设备接收主控设备下发的流表，按照流表中规定的转发端口，将源终端设备处理后的实时控制消息通过对应端口转发到接收终端设备。
[0014]步骤6、接收终端设备对从交换设备接收到的所有冗余消息包进行多数表决后，综合成一个正确报文，用于后续的协议解析。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：
[0016]本专利技术通过类似于软件定义以太网的技术，采用集中分布式的控制架构，由多个主控设备组成网络传输控制器，控制各个交换设备的实时报文转发路径。本方法在物理层和数据链路层实现了主控制器，交换机，通讯链路以及终端接口上的冗余。与传统RSTP等链路冗余技术不同，本专利技术选择网络传输路径依靠的是实时通路信息，而不是固有带宽。其中主控制器采集整网实时拓扑信息，通过对不同通道的时延、带宽和误码率进行比较，使用Dijkstra算法找到其中的多个最优转发路径。在实时发送终端构建多个冗余报文，多个通路的交换机依照网络传输制器下发的流表进行转发，并在实时接收终端综合不同路径、不同时间到达的冗余报文，通过对整网中所有通路中的实时控制信息进行规划控制，可以从通信链路上根本实现实时控制消息的高安全性和高冗余度，在网络中的某个设备出现故障或受到网络攻击时，仍可以保证系统稳定性和实时信息传输的确定性和精确率，从根本上提高工业控制系统的可靠性。
附图说明
[0017]图1是实施例中基于兼容实时同步的可定义以太网设备示意图；
[0018]图2是实施例中基于兼容实时同步的可定义以太网硬件结构示意图；
[0019]图3是实施例中交换机从控制器的功能流程图；
[0020]图4是实施例中流表建立与优化的流程图；
[0021]图5是实施例中冗余协议的报文结构示意图；
[0022]图6是实施例中接收终端设备接收冗余报文的流程图。
具体实施方式
[0023]以下结合附图对本专利技术作进一步的解释说明；
[0024]基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，具体包括以下步骤：
[0025]步骤1、搭建兼容实时同步通信的可定义以太网，如图1所示，包括多个交换设备S1～S5、两个主控设备和终端设备a、b，其中a作为发送消息的源终端设备，b作为接收消息的接收终端设备。在本实施例中，终端设备a、b可以通过交换设备S1～S5构成的环网进行实时控制信息通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：步骤1、搭建兼容实时同步通信的可定义以太网，包括多个交换设备、主控设备和终端设备；在该以太网中，每一对需要进行实时控制信息通讯的终端设备之间具有多条可以使用的信息通路；所述主控设备和多个交换设备分别作为集中
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分布式拓扑的管理设备，共同组成网络拓扑实时管理架构；步骤2、基于同步协议进行整网的时间同步，主控设备获取终端设备间的线路时延；交换设备采集各端口的实时发送带宽占用率B
t
、实时接收带宽占用率B
r
和实时接收误码率B
e
，发送到主控设备；步骤3、主控设备根据步骤2中获取的数据，在任意两个源终端设备与接收终端设备之间，挑选其中最优的n条通路作为冗余通路，完成流表优化，并将流表分发给交换设备；所述流表的内容包括源mac、目的mac、冗余包序号和对应交换设备的转发端口；其中冗余包序号表示交换设备所属的通路；步骤4、选定n条通路后，源终端设备对待发送的实时控制消息进行复制，复制后的消息包数量不超过n个；在计算每个消息包的CRC校验值之前，在以太网类型字段插入id，并在CRC前的最后一个字节中插入该消息包对应的冗余包序号；步骤5、交换设备接收主控设备下发的流表，比对源终端设备处理后的实时控制消息中的冗余包序号，确认无误后按照流表中规定的转发端口，将实时控制消息通过对应端口转发到接收终端设备；步骤6、接收终端设备对从交换设备接收到的所有冗余消息包进行多数表决后，综合成一个正确报文，用于后续的协议解析。2.如权利要求1所述基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，其特征在于：将以太网整体结构用加权的无向图G＝(V，R)表示，其中V为顶点集合，包括整网的所有交换设备和终端设备，R为加权的无向边；定义两个顶点间的路径T是一个不包括终端设备的顶点序列，路径长度D是路径上所有边的权重之和，主控设备根据步骤2中采集的线路时延t、实时发送带宽占用率B
t
、实时接收带宽占用率B
r
和实时接收误码率B
e
，确定边的权重。3.如权利要求1所述基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，其特征在于：主控设备采用Dijkstra算法选定n条最优通路。4.如权利要求1所述基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，其特征在于：源终端设备生成的冗余报文包括6字节的目的mac地址、6字节的源mac地址、1字节的冗余包序号、1字节的以太网类型、数据、1字节的冗余包id和4字节的FCS。5.如权利要求1所述基于兼容实时同步的可定义以太网的链路层冗余方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜钢锋，李雨桐，李极致，
申请(专利权)人：杭州瓦良格智造有限公司，
类型：发明
国别省市：