[发明专利]多环网多根交换机的检测和自愈算法

说明书

技术领域

本发明涉及工业以太网中数据链路层的多环路多根交换机的检测和自愈算法，采用主从式架构，可以快速的判断链路是否成环，并在成环后可以快速禁用一个端口阻止成环，在链路故障的时候可以打开备用端口，恢复通信。本算法可以检测数据链路检测是否成环，成环后快速禁用一个特定的交换机端口，并且在链路故障后打开禁用的端口使链路重新恢复正常。同时本算法中支持链路中存在多个环路，每个环路都可以检测和自愈。

背景技术

通讯领域中交换机的链接一般是树形拓扑结构，树形拓扑结构造成一条链路故障后网络的各个部分失去联系。工业现场中的交换机的拓扑结构经常是环形的，任意交换机之间有2个线路可达。环形的拓扑结构会造风暴，引发交换机的MAC地址表异常，所以在工业通讯领域，需要一套检测交换机成环，并且成环后可以快速禁用交换机的端口，阻止链路成环的算法，同时在链路产生故障的时候，可以打开禁用的端口，让通信回复正常。同时链路中的环路不止一条，需要区分和分别加以检测和自愈。

发明内容

相互连接的交换机如果形成环路，造成一种现象就是A交换机发出的报文，最后会被A交换机接收，此时只需要该环路中的一台交换机断开一条链路就可以阻止成环。本算法选择环路中MAC地址最小的交换机，让该交换机负责禁用自己的一个端口阻止环路。假设交换机A的1口，发送的数据，最后回到交换机A的2口，同时交换机的MAC地址在环路中最小，就决定禁用端口编号大的端口。环路中的MAC地址最小的交换机是根交换机。网络中存在多个环，就有多个根交换机。每个环中的每个根交换机分别负责自己所在环的链路检测和自愈。通过这种方法，可以把一个大的网络划分成几个独立的小环。根交换机检测出成环以后，配置根端口，然后在成环的两个端口分别发出链路成环确认报文，该报文中包括根交换机的MAC地址，链路编号，链路的深度(初始为0)，发送的方向(根端口的报文时正方向，另外一个端口是负方向)。环路中的交换机接收这两个报文，设置自己的属性，该属性包含自己在环路中的向上的端口，向下的端口，链路的深度等等。同时这些报文会被接收的交换机进行转发，转发时深度加1。

在一个环路中交换机的角色和端口的角色是不同的，它们的作用和收发报文的类型也不相同。具体的介绍如下：

交换机角色和端口角色：交换机的角色有两种，分别是根交换机和普通交换机。

1、根交换机：在一个成环的网络中，MAC地址最小的交换机是根交换机，它负责禁用自己的端口，阻止链路成环，同时在链路故障时，负责打开被禁用的端口。

2、普通交换机：除根交换机以外的交换机都是普通交换机。

根交换机的端口角色四种

1、根端口：根交换机中连接成环的端口

2、普通端口：根交换机中非连接成环的端口。

3、叶子端口：连接终端设备的端口(需要特别指定)

4、阻塞端口：根交换机中被禁用的端口

普通交换机的端口角色有四种

1、向上端口：向上连接到根交换机中连接成环的端口

2、叶子端口：连接终端设备的端口(需要特别指定)

3、向下端口：出了1和2的端口外其他类型的端口。

4、待定端口：不是上述三种端口的任何一种

环路中的交换机它们的角色不同，它们保留了不同的端口属性，普通交换机的端口属性包含：根MAC地址，向上的MAC地址，链路编号，深度编号(从根交换机到本交换机的中间经过的交换机的个数)。可以根据根MAC和链路编号区分出各个不同的环。

所有属性在初始化时都是0，然后收到根交换机发出的链路成环的确认报文，进行计算和更新。交换机可能参与了多个环，链路编号和深度编号不相等，根MAC地址和向上的MAC地址不相等。

发送报文的类型：

1、链路连上的hello报文：交换机的端口打开，相邻的两台交换机之间发送的报文，该报文不会被接受方转发。该报文包含交换机的属性。

2、链路连上通知报文：交换机的端口打开，打开的端口发送的报文，该报文会被接受方接受转发和修改。

3、检测成环确认报文：环路检测出成环以后，根交换机发出确认成环报文，报文包含根MAC地址，链路编号和方向等信息。相连的交换机会接收，修改转发。检测成环确认报文中有方向字段，方向包含正方向和负方向两种可能，分别从两个不同的端口发出来。

4、链路断开的通知报文：检测出链路断开的交换机发出，它顺着交换机的向上的端口进行转发，该报文传到根交换机后，根交换机以前被打开被阻塞的端口。