用於在區域網內實現快速恢復進程的方法和系統的製作方法
2023-05-23 17:19:26
專利名稱：用於在區域網內實現快速恢復進程的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及區域網(LAN)。本發明尤其涉及一種用於在區域網內實現快速恢復進程的新穎改進方法與系統。
背景技術：
區域網(LAN)是一組在小地理範圍內(例如在辦公樓內、在IP骨幹網絡的特定部分內、或在諸如電話交換或網絡控制單元的網絡單元內)共享公用通信線路以及通常共享單個處理器或伺服器的計算機和相關設備。在本文中，所述區域網還可表示使用所謂的「鬆散耦合多處理器」的體系結構，在該體系結構中所述處理器之間的消息被經由乙太網發送。這種體系結構例如可被實施在用於第三代行動網路的「全IP」體系結構的IP中繼線、MSC伺服器(移動交換中心，MSC)或是諸如連接處理伺服器(CPS)或原籍用戶伺服器的網絡單元內。
通常，所述伺服器具有由多計算機用戶或中央處理單元(CPU’s)共享的應用和數據存儲器。所述區域網可服務於少至兩個或三個用戶或客戶(例如，在家庭網絡中)，或是多至幾千個用戶。使用從第一個客戶到第二個客戶的路徑在兩個客戶或主機之間傳送信息。這些路徑是通過使用兩個網絡單元之間的鏈路來形成的。一般而言，所述路徑是事先形成的。在冗餘網絡中，主機或客戶到第一網絡節點的第一鏈路被複製，從而允許在第一路徑故障的情況下恢復到另一路徑。
路由器是計算機內的設備，在某些情況下是計算機內的軟體，其確定分組應當被轉發到目的地的下一個網絡點。所述路由器連接到至少兩個網絡，並且基於其當前對於其所連接到網絡的狀態的了解來確定經由哪條路線發送每個信息分組。所述路由器通常作為網絡交換機的一部分。
所述交換機是選擇用於將數據單元發送到其下一個目的地的路徑或電路的網絡設備。所述交換機也可能包括能夠確定路由以及數據應當被發送到的鄰近網絡點的路由器、設備或程序的功能。一般而言，交換機與路由器相比是更為簡單和快速的裝置，所述路由器需要關於網絡以及如何確定路由的知識。
至於分層的開放系統互連(OSI)通信模式，交換機通常與第二層，即數據鏈路層相關。然而，某些更新的交換機還可執行第三層，即網絡層的路由功能。第三層交換機有時也被稱為IP交換機。
在計算機和電信設備上，埠通常是具有插槽和某種插頭的用於物理連接到其它一些設備的具體位置。鏈路在某些使用中是兩點之間的物理的邏輯連接。所述的鏈路的兩端通常連接到所述埠。
在本文中，術語「主機」表示任何在網絡內具有接入其它計算機的兩條完整路線的計算機。主機具有與網絡號碼共同形成其唯一地址的特定「本地或主機號碼」。「主機」是網絡內的節點。
為了維護網絡的操作，必須注意所有實體單元都是可操作的。作為網絡管理的一部分的故障管理改善了網絡的可靠性，從而向網絡維護人員和網絡自身提供用於迅速檢測和糾正故障的工具。故障管理的責任在於安排工作從而使得問題與中斷對於用戶將儘可能少的可見。
網絡內的設備可能每次在發生故障情況(日誌)時發送關鍵情況的通知。關鍵情況的實例為，設備的重新啟動或是從未從設備接收到響應。在大多數情況下，僅僅基於這種類型的信息的故障管理並不會提供網絡狀態的足夠描述。例如，某一設備在損壞時，通常不能發送其通知。
可以有規則地向網絡設備詢問其狀態(輪詢)。所述詢問能夠相當迅速地檢測故障。然而，它們從實際有效負載中消耗網絡容量。必須在檢測精確性與將要使用的網絡容量之間平衡，即希望越高的檢測精確性，就會使用越大部分的網絡傳送容量。其它對於輪詢間隔的選擇產生影響的是將被監控的設備數量和將被使用的鏈路容量。
在檢測故障時，必須正確定位故障並將網絡的剩餘部分與故障所引起的幹擾隔離。必須以這樣一種方式配置或改變網絡，即使得元件的消除對於網絡操作的影響最小。最終，通過恢復或更換故障元件來重新設置網絡。
然而，存在其中上述用於故障管理的方法以及用於故障檢測的大部分方法無法得到應用的情況和網絡技術方案，因為故障必須被立刻檢測。例如，在網絡單元或IP網絡的內部網絡結構內，組合兩個插入式單元的鏈路的故障可能會導致正在進行的呼叫或實時數據連接的中問題，在這種情況下必須相當迅速地檢測出故障，以便所述呼叫或連接不會被中斷且用戶不會檢測到故障。
在冗餘區域網內，標準方法是使用跨接樹協議(STP)或是某些特定於買主的專用解決方案。所述跨接樹協議與算法是由IEEE委員會(電氣及電子工程師協會)研發的。如今IEEE正在嘗試構建減少網絡恢復時間的增強跨接樹算法。目標是在鏈路狀態發生故障或變化之後從30至60秒減少到小於10秒。然而，由於需要很長的恢復時間，所以STP並不適用於要求快速恢復(幾秒即為最大值)的環境。
另一可選技術方案是每個IP主機監控其具有到LAN的關鍵部分的功能鏈路(一般而言，這是將所述主機與外部IP網絡連接的路由器)。實施所述監控的一種簡單方法是使用「ICMP回波(脈衝)」消息，該消息被發送至路由器及將做出響應的元件。ICMP是主機伺服器與到網際網路的網關之間的消息控制和故障報告協議。ICMP使用網際網路協議數據報，但所述消息由IP軟體處理，且對於應用用戶並不直接顯而易見。
標準STP的主要問題是其可能的緩慢恢復(恢復可能會花費幾十秒，在此期間內部分或全部的LAN將不能攜帶業務)。特定於賣主的解決方案會更為迅速，但是其要求所有關鍵設備(主要是LAN交換機)都從一個提供商購買。
「ICMP回波」方法還存在一些問題其只可與具有對應IP位址的鏈路一起使用。換言之，如果存在並不具有IP位址的冗餘LAN埠(例如，埠恰好空閒且用於原來的LAN埠發生故障的情況)，則無法使用該方法。所述「ICMP回波」消息造成LAN，特別是路由器(或其它一些主機希望脈衝的設備)的額外負載。因此，無法經常監控鏈路的功能，而是僅可間歇性地進行監控，例如五秒一次。某些「回波」消息還可能由於擁塞而丟失，因而只能在若干無響應消息之後起動所述恢復。結果，即使恢復本身相當迅速，故障檢測仍然會很慢，需要花費幾秒到大約20秒。
發明內容
本發明涉及一種在冗餘樹型結構的區域網中加快故障恢復的方法和系統。在本文中，所述的樹型結構表示所述網絡內並不存在閉環。所述的樹型是定向的非循環網絡。本發明被用於定義某些LAN埠，所述LAN埠例如被用於將交換機作為關鍵部分連接到IP路由器內。同樣，其它一些用於將IP主機連接到所述交換機的LAN埠被定義為從屬於關鍵鏈路。如果發現關鍵LAN埠或對應鏈路是無功能的，例如未檢測到載波，則所有關鍵LAN埠或從屬於其的對應鏈路都被宣告為是無功能的。所述宣告是在鏈路層上以這樣一種方式執行的，即允許連接到鏈路另一端的設備或埠通知所述的鏈路不再用於傳送業務。因此，網絡效應是將對於樹的高層上故障的了解迅速向下傳播到主機，從而實現快速恢復。
本發明可以使得故障的檢測相當迅速，大約耗時1秒，甚至可能更少。因此所述恢復時間得到顯著減少。此外，根據本發明，故障檢測並不會加大LAN的負載，即使負載減少可能非常顯著。此外，本發明的可用性並不要求所有將被監控的埠(鏈路)具有IP位址。
本發明還克服了在「ICMP回波」機制為路徑的端對端驗證意義上的「ICMP回波」機制問題，本發明能夠保證從所述主機到外部IP網絡或是從外部IP網絡到所述主機的物理路徑在使用中。
此外，本發明還可以與現有LAN交換機兼容的方式來實施。原因在於，本發明機制並不需要LAN交換機之間的任何協議。
附圖被用於提供本發明的進一步理解並構成本說明書的一部分，示出了本發明的具體實施例，並與所述描述一起解釋了本發明的原理。在所述附圖中圖1是示出了根據本發明一個實施例的網絡結構的方框圖，以及圖2a-2b更為詳細地描述了根據本發明一個實施例的網絡單元的結構。
具體實施例方式
以下將具體參考本發明的實施例，該實施例的實例在附圖中示出。
圖1中描述了具有樹型拓撲的冗餘LAN。術語「冗餘」意味著主機連接已被複製以允許在鏈路或路徑故障情況下從有效鏈路LI1切換到備用鏈路LI2。圖1中還存在著以虛線描述的有效連接(業務流)。該連接在主機1和路由器R1之間建立。應當注意的是，此例中LAN拓撲使得LAN交換機至少有兩級。
如果第一級LAN交換機SW1，...，SW6中的一個發生故障，即故障1，或是為了維護而斷電等，不會出現較大問題，因為主機「主機1」，...，「主機9」直接連接到第一LAN交換機，且其可以在鏈路/LAN埠從連接狀態轉到鏈路關閉狀態時對自身進行檢測。當主機中的LAN驅動軟體通知鏈路關閉情況時，恢復可被立即啟動。如果第二級LAN交換機SW7、SW8中的一個發生故障，即故障2，在到對應路由器的鏈路或是第一級和第二級LAN交換機之間的鏈路發生故障的情況下，情況是相同的，問題是因為主機並非直接連接到第二級LAN交換機，所以它們無法直接檢測所述故障。這是因為從主機到第一級LAN交換機的鏈路保持連結狀態。僅在主機發現路由器並未響應於「ICMP回波」消息時，所述恢復方才起動。但如上所述，這並非起動所述恢復進程的最佳、最快的方法。
以下將描述本發明的構想。在發生故障的第二級LAN交換機SW7內，已經定義了稱為上行鏈路的到路由器R1的鏈路LSW7為關鍵鏈路，而到第一級LAN交換機SW1、SW3、SW5的所謂下行鏈路LSW1、LSW3、LSW5依賴於所述關鍵上行鏈路LSW7。因此，如果上行鏈路LSW7發生故障，則所有下行鏈路LSW1、LSW3、LSW5都會被設置為鏈路關閉狀態。同樣，在第一級LAN交換機SW1、SW3、SW5中，到第二級LAN交換機SW7的鏈路LSW1、LSW3、LSW5被定義為是關鍵的，而作為下行鏈路的到主機1，2，…，9的鏈路L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、L81、L91下行連接被定義為依賴於所述上行連接LSW1、LSW3、LSW5。結果是，如果第二級LAN交換機或其到路由器的鏈路發生故障，則鏈路關閉狀態被下傳到主機「主機1」，...，「主機9」。如果第一級和第二級LAN交換機發生故障，則相同的情況將會發生。因此，主機能夠很快察覺到LAN內的故障，並能夠立刻起動恢復。
所述恢復的一個實例是主機轉換至預定預設模式。這是諸如主機1的鏈路L12的冗餘上行鏈路同樣處於鏈路關閉狀態時的情況。例如，作為可能主機1的實例的原籍用戶伺服器正在解決某個用戶的簡表，且其需要連接到路由器R1、R2之後的其它網絡單元(並未顯示)。如果鏈路L11和L12都處於鏈路關閉狀態，則此例中的恢復就是主機1將預定預設簡表用於該用戶。唯一重要的是主機儘快得到所述有效和冗餘鏈路的鏈路關閉情況的通知。
應當注意的是，必要的改變將在LAN交換機上實施，即使與主機軟體的協作是必需的。如果當前使用的LAN埠變為鏈路關閉狀態，則主機將所有LAN業務移至冗餘LAN埠。同樣應當注意的是，每個LAN交換機可有多個關鍵鏈路，且鏈路可以不依賴、依賴一個或多個所述關鍵鏈路。如果鏈路依賴於多個關鍵鏈路，在任何一個所述關鍵鏈路都處於鏈路關閉狀態的情況下，所述的鏈路將被設為鏈路關閉狀態。
在鏈路發生故障的情況下，LAN交換機或路由器被修復並被投入操作，且所有連接到其的埠都被設為連結狀態，除非另外由某項管理操作規定。結果是，所有依賴於其的鏈路同樣被設置為連結狀態，除非由管理操作拒絕。該進程在主機得到故障情況的通知的故障情況下基本相同。
如果連接的傳送方向發生問題，則上述發明機制也可以用於通知主機或LAN交換機。其構思是設備通常無法了解是否正確傳送或接收設備是否正確接收。然而，如果注意到鏈路另一端的設備並未正確接收或發送，即存在過多CRC(循環冗餘檢驗)故障、不良幀等，可以認為所述的鏈路依賴於自身並將所述的鏈路的狀態改變為鏈路關閉狀態。
圖2a中描述了根據本發明一個具體實施例的LAN交換機結構的近似實例。圖2b中描述了根據本發明一個實施例的主機或CPU單元結構。
在兩個實例中，存在著乙太網控制器或連接到該網絡單元自身的乙太網物理層收發信機EC。所述乙太網控制器EC至少被進一步分為兩個組件或模塊，其可以在相同的電路內。這些模塊是媒體接入控制器MAC和物理層設備PHY。所述媒體接入層直接與網絡適配器卡通信，並負責在兩臺計算機之間傳送無差錯數據。所述的物理層設備PHY與典型乙太網系統內的收發信機執行大致相同的功能。
對於典型網絡連接而言，數據終端設備、LAN交換機、主機或CPU設備(計算機)包括乙太網接口EC，其生成和發送在附加到該網絡的計算機之間傳送數據的乙太網幀。所述接口或中繼器埠也可被設計成包括所述PHY電子設備在內。在本發明中，所述乙太網控制器EC被設計成監控有效連接的狀態。在所述乙太網控制器已經注意到鏈路關閉情況之後，其通過將下行鏈路設置為連結狀態來向下「發送」關於該情況的信息。當主機內的所述乙太網控制器注意到有效連接的鏈路關閉情況時，其通知主機軟體，則所述恢復可以起動。
圖2a中描述了將N埠實施在LAN交換機內。所述乙太網控制器EC包括N對媒體接入控制器MAC-物理層設備PHY。物理層設備連接到控制邏輯，所述控制邏輯通常由微處理器實施，以監視和控制所述PHY設備的狀態。
所述PHY設備的本質特徵是其包括或提供通知鏈路或埠的狀態的信息信號和/或寄存器。如果可使用軟體來監控所述信息，其同樣有用。所述PHY設備同樣能夠通過向微處理器提供中斷來提供所述信息，所述微處理器能夠將所述中斷解釋為PHY設備的狀態改變。所述PHY設備的另一個本質特徵是其可被重新設置為其中它可以將空閒信息給予其它PHY設備的狀態。在圖2a中，使用兩種不同信號類型描述了上述兩種本質特徵。「鏈路關閉」指示信號被從所述PHY設備發送，以通知鏈路的當前情況的控制邏輯。因此，所述PHY設備可設置為能夠被識別為所述設備的下行鏈路內的故障情況的狀態。「PHY重新設置」信號被用於將所述PHY設備設置成鏈路關閉狀態，從而使得下行鏈路方向上的其它PHY設備能夠識別上行鏈路方向上的故障，即這些信號使所述PHY設備失效。
對於本領域技術人員而言，隨著技術進步，發明的基礎構思顯然可以多種方式實施。因此，本發明及其實施例並不僅限於上述實例，相反其可在權利要求書的範圍之內變化。
權利要求
1.一種在冗餘樹型結構區域網中用於主機連接的快速恢復的方法，其特徵在於，該方法包括步驟監控關鍵上行鏈路的狀態，如果所述關鍵上行鏈路被檢測為處於鏈路關閉狀態，則將相關下行鏈路設置為鏈路關閉狀態。監控所述主機設備內的有效上行鏈路的狀態，以及如果所述有效鏈路處於鏈路關閉狀態，則在所述主機設備內開始恢復進程。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，如果網絡單元的上行鏈路的故障影響下行鏈路的數據流，則將所述上行鏈路規定為關鍵上行鏈路。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於，如果網絡單元的下行鏈路與下一網絡單元之間存在關鍵上行鏈路，則將所述下行鏈路規定為相關下行鏈路。
4.根據權利要求1的方法，其特徵在於，所述恢復進程包括步驟將所述有效上行鏈路中的連結故障通知給主機軟體，以及將所述有效數據路徑改變為冗餘上行鏈路。
5.根據權利要求1的方法，其特徵在於，所述恢復進程包括步驟將所述有效上行鏈路中的連結故障通知給主機軟體，檢查冗餘上行鏈路的狀態，並且如果所述上行鏈路處於鏈路關閉狀態，將所述主機轉至預定預設模式操作。
6.根據權利要求4和5的方法，其特徵在於，所述冗餘上行鏈路是所述有效上行鏈路的倍增(doubling)上行鏈路。
7.根據權利要求1的方法，其特徵在於，通過監控關鍵上行鏈路上的數據流的質量來完成對於所述關鍵上行鏈路狀態的監控。
8.一種在冗餘樹型結構區域網中用於主機連接的快速恢復的系統，其特徵在於，所述系統包括監控設備(EC)，用於監控關鍵上行鏈路的狀態，如果所述關鍵上行鏈路被檢測為處於鏈路關閉狀態，則將相關下行鏈路設置為鏈路關閉狀態，且如果所述有效鏈路處於鏈路關閉狀態，則在所述主機設備內開始恢復進程。
9.根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述監控設備(EC)還包括物理層設備(PHY)，用於監控所述上行鏈路的物理狀態，以及媒體接入控制器(MAC)，用於改變所述下行鏈路的狀態。
10.根據權利要求8的系統，其特徵在於，如果網絡單元(SW1，...，SW8)的上行鏈路的故障影響所述網絡單元的下行鏈路上的數據流，則所述網絡單元的所述上行鏈路是關鍵上性鏈路。
11.根據權利要求8的系統，其特徵在於，如果網絡單元(SW1，...，SW8)的下行鏈路與下一網絡單元(SW1，...，SW8)之間存在關鍵上行鏈路，則所述網絡單元(SW1，...，SW8)的所述下行鏈路是相關下行鏈路。
12.根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述監控設備(EC)是乙太網控制器。
全文摘要
本發明涉及一種用於在冗餘樹形結構區域網內加速故障恢復的方法與系統。本發明用於將一些LAN埠定義為關鍵埠，所述LAN埠例如用於將交換機(SW)連接到IP路由器內。同樣，其它一些用於將IP主機連接到所述交換機(SW)的LAN埠被定義為從屬於所述關鍵鏈路。如果發現關鍵LAN埠或對應鏈路是無功能的，例如未檢測到載波，則所有LAN埠或從屬於其的對應鏈路被宣告為是無功能的。所述宣告是在鏈路層上以這樣一種方式完成的，即允許連接到鏈路另一端的設備或埠注意到所述的鏈路不再用於傳送業務。
文檔編號H04L12/24GK1507721SQ02809388
公開日2004年6月23日 申請日期2002年3月19日 優先權日2001年5月28日
發明者毛利·薩克斯奧, 毛利 薩克斯奧 申請人:諾基亞公司