基於乙太網交換的數據鏈路的無縫切換系統及其方法
2023-09-12 19:49:35
專利名稱：基於乙太網交換的數據鏈路的無縫切換系統及其方法
技術領域：
本發明涉及基於乙太網交換的數據鏈路切換技術，尤其指無縫切換系統及其方法。
背景技術：
以母板為基礎的通信架構曾經被廣泛採用，但隨著系統的不斷強大和配置靈活性的不斷提高，並在這樣一種願望驅動下，即改善平均修復時間和為系統升級提供便利性，使得基於無源背板結構的發展逐漸成為通信架構的主流。
基於無源背板的通信架構使系統的升級，備份，更加靈活。無源背板涉及到一個背板通信問題。在過去幾年裡CompactPCI(緊湊型PCI，Compact PeripheralComponent Interconnect)規範作為背板通信已經相當成熟。並正在探索新的平臺用以承載下一代通信和數據應用。其間業界曾嘗試著對CompactPCI 2.X標準的修改來滿足電信市場的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規範不能滿足電信應用對單板空間、功耗、帶寬、系統管理的要求，因此，新的標準則應運而生。
乙太網技術不但在區域網和廣域網上有廣泛的應用，而且在系統內的板間通信上也顯示出強大的優勢。乙太網作為背板通信，其使用了星型結構的交換方式。交換是典型的並行結構，多用在如矩陣式的交換機中，並在兩個埠交換信息的同時，不會影響到其它埠的工作，也就是說，各個埠的交換是同時的。顯然，從通信效率來看，交換結構要比共享結構好得多。因此在現有很多系統中，乙太網往往同時承載著數據通信和控制通道。
那系統怎樣才能有效的管理這些乙太網通道？怎樣監測這些乙太網通道？當監測到故障時怎樣切換通道？基於乙太網交換的數據鏈路，現有一般採用類似二選一開關的選擇器作為電子開關來切換。其技術缺點是切換時間長，不能監測備份鏈路狀況。
因此，如何解決在冗餘備份中進行乙太網數據鏈路的切換，以及鏈路的檢測問題，以方便N+1或N+N備份管理，是本申請人需要致力解決的技術問題之一。
發明內容
本發明旨在提供一種基於乙太網交換的數據鏈路的無縫切換系統及其方法，並使冗餘備份管理和鏈路監測更為可靠和方便。
本發明所提供的一種基於乙太網交換的數據鏈路無縫切換系統，其特徵在於包括基於背板的以主用、備用兩塊交換板為節點形成的交換網絡；以及分為源板和目的板兩種且每種又分為n個主用和m個備用的業務板，m≤n，其中每塊業務板均有兩個網口分別連至兩塊交換板。
在上述系統中，業務板和交換板均含有二層乙太網交換晶片，且所述主用業務板和主用交換板中均配置有配合其二層乙太網交換晶片運行的靜態MAC(媒介訪問控制器)地址、動態MAC地址和動靜態MAC地址；所述備用業務板和備用交換板中均配置有配合其二層乙太網交換晶片進行數據鏈路監控的靜態MAC地址和動靜態MAC地址。
在上述系統中，動態MAC地址，用於實現數據傳輸，並實現在主用交換板或業務板出現故障時通過其備用板配置相同的動態MAC地址來達成數據鏈路無縫切換到該備用板，以繼續系統業務的提供。
在上述系統中，靜態MAC地址，用於實現對運行系統中的數據鏈路進行實時監控。
在上述系統中，動靜態MAC地址和靜態MAC地址一起用於實現對運行系統中的數據鏈路進行故障定位。
在上述系統中，動態MAC地址結構是由表徵MAC類型、邏輯號、PHY、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
在上述系統中，靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY(物理層器件)、MAC、交換板號和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
在上述系統中，動靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
本發明還提供了一種業務板，其特徵在於它含有二層乙太網交換晶片和配置的配合該晶片運行的動態MAC地址、靜態MAC地址、動靜態MAC地址，其中動態MAC地址用於實現數據傳輸，並實現在主用交換板或業務板出現故障時通過其備用板配置相同的動態MAC地址來達成數據鏈路無縫切換到該備用板，以繼續系統業務的提供；靜態MAC地址用於實現對運行系統中的數據鏈路進行實時監控；動靜態MAC地址和靜態MAC地址一起用於實現對運行系統中的數據鏈路進行故障定位。
本發明最後提供了一種數據鏈路無縫切換方法，其特徵在於當系統中的主用板或鏈路出現達到設定級別的故障時，進行相應板卡切換，即運用動態MAC地址重新配置相應的數據鏈路至備用板的二層乙太網交換晶片，以確保板卡切換後數據鏈路的恢復；當系統正常運行時，運用靜態MAC地址和動靜態MAC地址對系統內部板卡間的數據鏈路進行監控，若主用數據鏈路發生故障時，通過靜態MAC地址確定源板到目的板的唯一物理路徑和動靜態MAC地址確定唯一的目的板，進行故障定位，觸發板卡切換，並在切換完成後繼續監控板卡間數據通路。
由於採用了上述的技術解決方案，本發明為通信類產品的完全冗餘備份方案提供物理層的支持，使得產品內部的控制通道和數據通道在板卡發生故障及切換的情況下依然保持可用，並使得產品的切換時間控制在十分之一秒級別。
圖1為本發明基於乙太網交換的數據鏈路無縫切換系統的實施例示意圖；圖2是本發明基於動態MAC地址的數據鏈路無縫切換的示意圖；圖3是本發明基於靜態MAC地址的數據鏈路行為的示意圖；圖4是本發明基於動靜態MAC地址的數據鏈路行為的示意圖。
具體實施例方式
本發明的基本思想是運用三級的二層乙太網交換來實現乙太網數據鏈路的切換問題，運用動態MAC地址，靜態MAC地址，動靜態MAC地址的組合，使冗餘備份管理，鏈路監測變的可靠和方便。
一，本發明採用了一種基於二層乙太網交換來實現上述功能。
參見圖1，本發明，即基於乙太網交換的數據鏈路無縫切換系統，中央是一個基於背板101的交換網絡，有主用和備用兩塊交換板102、103，呈雙星型結構。其它四塊為業務板，分別為源板104和目的板105，以及它們的備用板卡106、107，每塊業務板都有兩個網口分別連到兩塊交換板，當然在實際系統中業務板可能遠不止四塊，為方便起見，本實施例只列舉四塊。
由已有技術可知，二層交換的交換是基於二層的，也就是基於MAC地址和VLAN(虛擬區域網)號。
在該系統中，乙太網都是內部傳輸用，而且插入的板卡(即業務板和交換板)都是已知且可控的。所以可以根據系統的需求定義每塊業務板的地址和控制數據流的走向。
由於系統中所有的板卡可以處在一個VLAN域裡。正是由於以上的原因，所有的乙太網交換都處在自學習禁止狀態。二層交換的所有MAC地址都處在靜態配置狀態。
需要指明的是，上述靜態配置跟以下涉及的靜態地址、動態地址是不同的，前者指二層交換裡的MAC地址配置方式，後者指系統的MAC地址配置策略。
系統的所有靜態地址、動態地址、動靜態地址都是靜態配置在二層交換裡的，從而使地址均不會老化(即靜態配置，不會因不使用而被刪除)。
每塊板的MAC地址分配都使用統一標準。把配置在二層交換裡的所有MAC地址都分為靜態地址，動態地址，動靜態地址。
二、MAC地址分類及結構1.動態MAC地址一般系統中均設有的系統冗餘管理模塊(即板卡主備用決策中心和切換的發起中心)，實現板卡出錯時的切換。該冗餘管理模塊在系統初始化階段為每個運行的業務板分配一個邏輯號，備用板卡和主用運行的業務板使用相同的邏輯號。這個邏輯號同時也反應在該業務板的動態MAC地址中。
動態MAC地址結構是主要由表徵MAC(媒介訪問控制器)類型、邏輯號、PHY(物理層器件)、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
具體的動態MAC地址結構的實施例如下表
從表中我們知道，動態MAC地址跟物理的機箱槽位無關，而跟業務板的邏輯號有關，每個運行的業務板的邏輯號可能會根據系統的運行而改變。這種改變也會改變數據鏈路的走向。
系統事先知道那些業務板是運行狀態，那些屬於備份狀態。系統也只為運行的業務板分配邏輯號，備用板卡與運行的主用業務板使用相同的邏輯號。一旦系統運行，通過系統冗餘管理模塊可以知道哪些業務板在運行狀態，哪些業務板在備用狀態。業務板或交換板間的數據通信就是用動態MAC地址通過這些運行狀態的板卡來實現的。
參見圖2，當主用交換板發生故障或主用目的板發生故障，數據鏈路就要切換到備用板卡上，由於目的板備用板卡使用了與原主用板卡相同的邏輯號，只需要對當前切換的板卡的二層乙太網交換晶片進行基於動態MAC的重新配置，而不需要對數據包進行任何更新，就可以利用動態MAC地址來實現數據鏈路從故障的板子無縫切換到備份板上。
2.靜態MAC地址所有的靜態MAC地址在業務板初始化階段全部配置，而且在板卡的整個生命周期一直有效且不變，因此系統非常明白各個物理業務板的靜態物理地址。系統運行期間不會有任何變化。參見圖3，源板如果根據靜態MAC地址發一個測試包到目的板，這個包所走的路徑在任何時刻都是不變的。這時如果交換板或目的板失敗導致包無法到達目的地，系統不做任何切換來力圖保證測試包的發送或接收，系統根據這種特性可以用來監測鏈路狀態。
那系統是怎樣根據靜態MAC地址來實現鏈路狀態監測呢？下面看看靜態MAC地址的結構及配置方法。
靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY、MAC、交換板號和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
具體的靜態MAC地址結構如下表
從以上靜態MAC地址結構可知，靜態MAC地址通過機箱號，槽位號和交換板號唯一定義了一條數據交換通道，即從哪塊交換板到哪塊目的板。
3.動靜態MAC地址動靜態MAC地址指目的板靜態、交換板動態的地址類型，該地址通過機箱號和槽位號唯一確定了某一目的板，但通過主用的交換板進行數據交換。
動靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
具體的動靜態MAC地址結構如下表
如圖4所示，使用動靜態MAC的數據，當主用交換板發生故障時，其數據路徑會切換到備用交換板，而當主用目的業務板發生故障時，其數據路徑不會切換到備用的目的業務板。這樣，該地址和靜態地址一起用於監測鏈路狀態，可準確定位哪塊板卡出現問題。
綜上所述，本發明包含二個方面的技術內容數據鏈路的切換乙太網交換的交換是根據目的MAC地址的。而且乙太網交換裡的MAC地址都是系統配置上去的(不是自學習)，所以對鏈路的切換很簡單，比如在源板上發了一個目的MAC地址為A的包，而這個目的MAC地址配置在源板的埠1上，那這個包就從埠1出去發往主用交換板上。當系統監測到主用交換板有故障，就要切換到備用交換板上，對源板來說就要把發往主用交換板的數據切換到備用交換板上。源板只要把MAC地址A從埠1移到埠2。所有發往MAC地址A的數據都切換到埠2發往備用交換板。這種切換的時間就是系統配置MAC地址的時間。以此類推，目的板發生故障時，交換板也可以利用這種方法把數據鏈路從故障的目的板切換到備份的目的板。
數據鏈路的監測系統是怎樣監測到鏈路故障？系統在切換之前又如何知道備份鏈路是正常的？這就涉及到數據鏈路監測問題。各塊板都可以發監測包到任何其它板來監測數據鏈路的狀況，因為靜態MAC地址在系統的生命周期內是不變的，所以基於靜態MAC地址的數據包所經過的鏈路是可以預知的。比如任何一塊目的板都收不到一塊源板發過來的監測包，但能收到交換板發過來的監測包，那系統就推斷這塊源板發生故障，對其進行切換。
以上結合附圖實施例對本發明進行了詳細說明，本領域中普通技術人員可根據上述說明對本發明做出種種變化例。因而，實施例中的某些細節不應構成對本發明的限定，本發明將以所附權利要求書界定的範圍作為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於乙太網交換的數據鏈路無縫切換系統，其特徵在於包括基於背板的以主用、備用兩塊交換板為節點形成的交換網絡；以及分為源板和目的板兩種且每種又分為n個主用和m個備用的業務板，m≤n，其中每塊業務板均有兩個網口分別連至兩塊交換板。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述的業務板和交換板均含有二層乙太網交換晶片，且所述主用業務板和主用交換板中均配置有配合其二層乙太網交換晶片運行的靜態MAC地址、動態MAC地址和動靜態MAC地址；所述備用業務板和備用交換板中均配置有配合其二層乙太網交換晶片進行數據鏈路監控的靜態MAC地址和動靜態MAC地址。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於所述的動態MAC地址，用於實現數據傳輸，並實現在主用交換板或業務板出現故障時通過其備用板配置相同的動態MAC地址來達成數據鏈路無縫切換到該備用板，以繼續系統業務的提供。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於所述的靜態MAC地址，用於實現對運行系統中的數據鏈路進行實時監控。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於所述動靜態MAC地址和靜態MAC地址一起用於實現對運行系統中的數據鏈路進行故障定位。
6.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於所述的動態MAC地址結構是由表徵MAC類型、邏輯號、PHY、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
7.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於所述的靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY、MAC、交換板號和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
8.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於所述的動靜態MAC地址結構是由表徵MAC類型、機箱號、槽位號、PHY、MAC和交換類型內容的對應標誌位和空餘位進行排列組合所形成。
9.一種用於權利要求1所述系統的業務板，其特徵在於它含有二層乙太網交換晶片和配置的配合該晶片運行的動態MAC地址、靜態MAC地址、動靜態MAC地址，其中動態MAC地址用於實現數據傳輸，並實現在主用交換板或業務板出現故障時通過其備用板配置相同的動態MAC地址來達成數據鏈路無縫切換到該備用板，以繼續系統業務的提供；靜態MAC地址用於實現對運行系統中的數據鏈路進行實時監控；動靜態MAC地址和靜態MAC地址一起用於實現對運行系統中的數據鏈路進行故障定位。
10.一種用於權利要求2所述系統的數據鏈路無縫切換方法，其特徵在於當系統中的主用板或鏈路出現達到設定級別的故障時，進行相應板卡切換，即運用動態MAC地址重新配置相應的數據鏈路至備用板的二層乙太網交換晶片，以確保板卡切換後數據鏈路的恢復；當系統正常運行時，運用靜態MAC地址和動靜態MAC地址對系統內部板卡間的數據鏈路進行監控，若主用數據鏈路發生故障時，通過靜態MAC地址確定源板到目的板的唯一物理路徑和動靜態MAC地址確定唯一的目的板，進行故障定位，觸發板卡切換，並在切換完成後繼續監控板卡間數據通路。
全文摘要
本發明涉及基於乙太網交換的數據鏈路的無縫切換系統及其方法，其系統中的業務板含有二層乙太網交換晶片和配置的配合該晶片運行的動態MAC地址、靜態MAC地址、動靜態MAC地址。其中動態MAC地址用於實現數據傳輸，並實現在主用交換板或業務板出現故障時通過其備用板配置相同的動態MAC地址來達成數據鏈路無縫切換到該備用板，以繼續系統業務的提供；靜態MAC地址用於實現對運行系統中的數據鏈路進行實時監控；動靜態MAC地址和靜態MAC地址一起用於實現對運行系統中的數據鏈路進行故障定位。本發明為通信類產品的完全冗餘備份方案提供物理層的支持，使得產品內部的控制通道和數據通道在板卡發生故障及切換的情況下依然保持可用，並使得產品的切換時間控制在十分之一秒級別。
文檔編號H04L12/28GK101047538SQ200610025370
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月31日 優先權日2006年3月31日
發明者謝偉, 楊健斌, 王江, 董彩平, 陸建波 申請人:上海貝爾阿爾卡特股份有限公司