TWI858915B - 網路交換器及網路耦合備援之網路架構 - Google Patents

Abstract

一種網路耦合備援之網路架構，包含一備用網路交換器及至少一主網路交換器，配置於一主網路之一交換器群組，用於執行一網路耦合備援方法。網路耦合備援方法包含備用網路交換器定期發送一第一控制封包；響應於接收該第一控制封包，至少一主網路交換器發送一第一確認封包；備用網路交換器根據一第一條件進行鏈路切換；至少一主網路交換器根據一第二條件發送一第二控制封包；響應於接收第二控制封包，備用網路交換器回復一第二確認封包，並根據第二控制封包進行鏈路切換；以及響應於接收該第二確認封包，主網路交換器進行鏈路切換。

Description

網路交換器及網路耦合備援之網路架構

本發明係指一種網路耦合的備援方法、裝置及網路架構，尤指一種在網路耦合中以一個備用網路交換器對多個主網路交換器進行備援的備援方法、裝置及網路架構。

隨著業界對產能、成本的要求日益提高，將生產設備連接到網路已成趨勢。透過網路的連接，跨機具的數據蒐集與分析成為可能，其改善製程的速度、彈性、以及效率，在降低成本的同時還能產出更高品質的產品。然而，傳統的工業環境中，往往同時存在多個獨立的區域網路(Local Area Network，LAN)，而這些區域網路由多種冗餘網路技術組成，造成整合與管理上的困難。在此情形下，先前技術已提出網路耦合技術，其可將多個區域網路串接在一起，能夠在不同的區域網路之間實現資料和功能共享或整合。這種技術可以解決不同區域網路之間的互操作性和相容性問題，提高系統的效率和可靠性。

進行網路耦合時，為避免單一線路故障時造成網路無法運作，一般會建置第二線路作為備援線路，以提升網路耦合的可靠性與穩定性。然而，目前的解決方法大多是透過兩個網路交換器進行網路耦合，其中一者作為主交換 器運行，另一者則作為備用的交換器待命。也就是說，每連接一個子網路，就必須要搭配兩個交換器。在此情況下，當連接的子網路數量較多時，所需要的網路交換器裝置數量也需相應增加，除造成建置成本提高外，還將造成相關的控制封包量大增，進而影響效能。此外，當應用在工業控制網路上時，無可避免地會有多個不同的子網路需要連接到骨幹網路的需求，因此，需要進一步改善此問題以提升效率、降低成本。

因此，本發明的目的在於提供一種以一對多的備援方法與網路交換器，以在進行網路耦合時，實現冗餘機制的同時，降低成本並提升效率。

本發明實施例揭露一種主網路交換器，配置於一主網路之一交換器群組，透過至少一第一鏈路耦接於一子網路群組之至少一第一子網路。該主網路交換器包含一處理單元以及一儲存單元。該處理單元用來執行一程式碼；該儲存單元耦接於該處理單元，用來儲存該程式碼，以指示該處理單元執行一網路耦合備援方法。該網路耦合備援方法包含有接收來自該交換器群組之一備用網路交換器之一第一控制封包；響應於接收該第一控制封包，發送包含該至少一第一子網路的連線狀態之一第一確認封包；發送一第二控制封包給該備用網路交換器；以及響應於發送該第二控制封包，自該備用網路交換器接收一第二確認封包，並於接收第二確認封包後進行鏈路切換。

本發明實施例另揭露一種備用網路交換器，配置於一主網路之一交換器群組，透過至少一第一鏈路耦接於一子網路群組之至少一第一子網路。該備用網路交換器包含一處理單元以及一儲存單元。該處理單元用來執行一程式 碼；該儲存單元耦接於該處理單元，用來儲存該程式碼，以指示該處理單元執行一網路耦合備援方法。該網路耦合備援方法包含有定期發送包含該至少一第一子網路的連線狀態的一第一控制封包至該交換器群組之至少一主網路交換器；響應於發送該第一控制封包，自該至少一主網路交換器接收至少一第一確認封包；根據一第一條件進行鏈路切換；以及響應於接收到該至少一主網路交換器的一第二控制封包時，發送一第二確認封包，並根據該第二控制封包進行鏈路切換。

本發明實施例另揭露一種為網路耦合備援之網路架構，包含複數個子網路以及一主網路。該複數個子網路屬於複數個子網路群組。該主網路包含複數個交換器群組，該複數個交換器群組之每一交換器群組耦接該複數個子網路群組之一子網路群組，並包含至少一主網路交換器以及一備用網路交換器。該至少一主網路交換器，透過至少一第一鏈路耦接該子網路群組之至少一第一子網路。該備用網路交換器，透過至少一第二鏈路耦接該子網路群組之至少一第二子網路。其中，該複數個子網路群組之每一子網路群組用於執行一網路耦合備援方法，該發法包含該備用網路交換器定期發送包含該至少一第二子網路的連線狀態的一第一控制封包；響應於接收該第一控制封包，該至少一主網路交換器發送包含該至少一第一子網路的連線狀態之一第一確認封包；該備用網路交換器根據一第一條件進行鏈路切換；該至少一主網路交換器根據一第二條件發送一第二控制封包；響應於接收該第二控制封包，該備用網路交換器回復一第二確認封包，並根據該第二控制封包進行鏈路切換；以及響應於接收該第二確認封包，該主網路交換器進行鏈路切換。

1:網路系統

10:主網路

12_1~12_4:子網路

14_1~14_4:主網路交換器

16_1~16_4:備用網路交換器

15_1~15_4、17_1~17_4:鏈路

2:網路系統

20:主網路

N1~N10:子網路

L1~L20:鏈路

G1~G3:群組

C1~C3:交換器群組

S1~S3:子網路群組

22_1、24_1、26_1:備用網路交換器

22_2~22_5、24_2、24_3、26_2:主網路交換器

3:控制封包

30:前文

31:目的位址

32:來源位址

33:乙太類型

34:酬載

35:訊框檢驗序列

340:指令

341:發送者位址

342:夥伴位址

343:鏈路數

344:鏈路識別碼

345:連線狀態

4:流程

400~414:步驟

P1:第一控制封包

P1_ACK:第一確認封包

P2:第二控制封包

P2_ACK:第二確認封包

70、72、80、82:流程

700~705、720~725、800~806、820~826:步驟

G4~G6:群組

L21~L36:鏈路

N11~N17:子網路

27_1、27_4、28_1、28_4、29_1:備用網路交換器

27_2、27_3、28_2、28_3、29_2:主網路交換器

120:網路裝置

1200:處理單元

1202:儲存單元

1204:程式碼

第1圖為一網路系統之示意圖。

第2圖為本發明實施例一網路系統之示意圖。

第3圖為本發明實施例一控制封包之示意圖。

第4圖為本發明實施例一網路耦合備援方法之流程示意圖。

第5A圖、第5B圖為本發明實施例一群組進行網路耦合備援流程之一實施態樣示意圖。

第6A圖、第6B圖為本發明實施例一群組進行網路耦合備援流程之另一實施態樣示意圖。

第7A圖、第7B圖為本發明實施例一備用網路交換器實現網路耦合備援方法之流程示意圖。

第8A圖、第8B圖為本發明實施例一主網路交換器實現網路耦合備援方法之流程示意圖。

第9圖為本發明實施例一錯誤配置之示意圖。

第10圖為本發明實施例一錯誤配置之示意圖。

第11圖為本發明實施例一錯誤配置之示意圖。

第12圖為本發明實施例一網路裝置之示意圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解 釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為一網路系統1之示意圖。在網路系統1中，一主網路10耦合複數個子網路12_1~12_4。具體而言，主網路10透過複數個主網路交換器14_1~14_4經由複數個主要鏈路15_1~15_4耦接於子網路12_1~12_4；同時，主網路10另透過複數個備用網路交換器16_1~16_4經由複數個備用鏈路17_1~17_4耦接於子網路12_1~12_4。其中，複數個備用網路交換器16_1~16_4以及複數個備用鏈路17_1~17_4作為複數個主網路交換器14_1~14_4以及複數個主要鏈路15_1~15_4之備援，而處於待命狀態。由第1圖可知，網路系統1採用一對一的網路耦合備援方式。也就是說，主網路10每連接一個子網路，就需要相對應地配置一主網路交換器以及一備用網路交換器，以確保網路耦合的可靠性與穩定性。在此情形下，當需連接大量的子網路時，所需網路交換器的數量也成倍增長。此外，隨著網路交換器的數量增加，也會造成由網路交換器所發送的控制封包數量隨之增加，影響效能。

因此，本發明提出一網路耦合備援方法，可使備用網路交換器同時對連接子網路的多個運作中的主網路交換器進行備援，並可透過群組的方式，將備用網路交換器及其所備援的主網路交換器配置為同一群組(下文稱交換器群組)，使主網路可以透過多個交換器群組連接多個不同的子網路群組。在此架構下，網路交換器只需處理屬於同一交換器群組的控制封包，且控制封包內可以同時帶入多個子網路的連接狀態，進一步減少控制封包的處理量。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例之一網路系統2之示意圖。在此實施例中，網路系統2包含一主網路20以及複數個子網路N1~N10，且可被分為複數個群組G1~G3。主網路20包含複數個處於待命狀態的備用網路交換器22_1、24_1及26_1以及複數個用於資料轉發的主網路交換器22_2~22_5、24_2~24_3及26_2。需注意的是，主網路20在第2圖中繪示為一環狀網路，然而，不限於此，主網路20可為各種類型的網路拓樸，且適用於不同的冗餘協定。此外，第2圖中繪示之子網路數量、群組數量以及網路交換器數量僅用於說明，且不限於此，本領域具通常知識者需視實際需求調整、修改。

詳細來說，群組G1包含一交換器群組C1及一子網路群組S1，交換器群組C1包含一備用網路交換器22_1以及複數個主網路交換器22_2~22_5，而子網路群組S1包含子網路N1~N4。複數個主網路交換器22_2~22_5透過複數個鏈路L5~L8分別耦接於子網路N1~N4，而備用網路交換器22_1作為主網路交換器22_2~22_5的備援，透過複數個鏈路L1~L4耦接於子網路N1~N4。類似地，群組G2包含一交換器群組C2及一子網路群組S2，交換器群組C2包含一備用網路交換器24_1以及複數個主網路交換器24_2~24_3，而子網路群組S2包含子網路N5~N7。主網路交換器24_2透過鏈路L12、L13分別耦接於子網路N5、N6，而主網路交換器24_3透過鏈路L14耦接於子網路N7。備用網路交換器24_1作為主網路交換器24_2、24_3的備援，透過鏈路L9~L11耦接於子網路N5~N7。群組G3包含由一備用網路交換器26_1以及一主網路交換器26_2所組成的一交換器群組C3以及由子網路N8~N10所組成的一子網路群組S3。主網路交換器26_2透過鏈路L18~L20分別耦接於子網路N8~N10，而備用網路交換器26_1作為主網路交換器26_2的備援，透過鏈路L15~L17耦接於子網路N8~N10。

為便於說明，第2圖所示的網路系統2包含不同的網路耦合方式。具體而言，在群組G1中，子網路N1~N4分別透過主網路交換器22_2~22_5連接並進行資料轉發，而備用網路交換器22_1則連接群組G1中的所有子網路N1~N4並為群組G1中的所有主網路交換器22_2~22_5做備援。在群組G3中，所有子網路N8~N10皆透過同一主網路交換器26_2連接並進行資料轉發，並由備用網路交換器26_1連接群組G3中的所有子網路N8~N10並為主網路交換器26_2做備援。另外，在群組G2中，主網路交換器24_2連接兩個子網路N5、N6，主網路交換器24_3連接同群組的另一子網路N7，由備用網路交換器24_1連接子網路N5~N7並為兩個主網路交換器24_2、24_3待命做備援。換句話說，在同一群組中，主網路交換器可以以一對一(如群組G1)、一對多(如群組G3)或混合(如群組G2)的方式連接子網路，並由一個備用網路交換器做備援。

在網路系統2中，同一交換器群組之網路交換器透過交換控制封包(control frame)傳遞資訊，以取得其他網路交換器與所連接的子網路間的連線狀態。於本發明實施例中，控制封包可透過群播(multicast)的方式在主網路20或子網路N1~N10上傳送，並於控制封包標頭(header)之目的位址帶入群組識別碼(ID)以供主網路20上的網路交換器做識別。網路交換器可僅讀取屬於具有相同群組識別碼之控制封包，並將具有不同群組識別碼之控制封包直接轉發不進行處理。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一控制封包3之示意圖。控制封包3可用於網路系統2中，其包含標頭30~33、酬載(payload)34以及訊框檢驗序列(frame check sequence，FCS)35。標頭30~33依其所攜帶的資料可包含前文 30、目的位址(Destination MAC)31、來源位址(Source MAC)32、以及乙太類型(Ethertype)33。其中，目的位址31可以是媒體存取控制位址(Media Access Control address，MAC address)，其中可以特定MAC位址之特定位元組或位元帶入不同的群組識別碼，亦或以複數個特定的MAC位址分別作為不同群組之識別，以做為群播位址而在主網路20上傳送，且不限於此實現方式。以特定MAC位址之特定位元組帶入不同的群組識別碼為例，當屬於群組G1且具有群組識別碼1的備用網路交換器22_1發送控制封包時，可送出目的位址為xx-xx-xx-xx-xx-01的控制封包。當備用網路交換器22_1收到目的位址為xx-xx-xx-xx-xx-01的控制封包時，即可即時判斷此控制封包同為具有群組識別碼1之其他網路交換器所發出，所以需讀取、解析封包內容；當收到目的位址為xx-xx-xx-xx-xx-02或xx-xx-xx-xx-xx-03之控制封包時，可判斷此控制封包為具有群組識別碼2或3的網路交換器所發出，因此，不須處理此控制封包，並逕自轉發。據此方式，主網路20上的網路交換器可以識別同群組的控制封包，並讀取來自同群組的控制封包以互通資訊。需注意的是，於MAC位址之特定位元組帶入群組識別碼以作為群播位址僅為本發明實施例中用以識別群組之一實施方式，且不限於此，本領域具通常知識者可根據實際需求採用合適之方法以群播位址進行不同群組之識別。

進一步地，控制封包3的酬載34包含一指令340、一發送者位址341、一夥伴位址342、鏈路數343、至少一鏈路識別碼344及其對應的連線狀態345。其中，指令340用以識別不同控制封包；發送者位址341為發送控制封包的主網路交換器或備用網路交換器的MAC位址；夥伴位址342為控制封包的傳送對象。舉例來說，當主網路交換器發送控制封包時，夥伴位址342即可為屬於同一群組的備用網路交換器的MAC位址。此外，鏈路數343為此控制封包所攜帶的鏈路連線狀 態數量；鏈路識別碼344為鏈路所連接之子網路識別碼，連線狀態345則為對應子網路之鏈路連線狀態(換句話說，子網路的連線狀態)。連線狀態345可根據是否收到鏈路之電信號而判斷為連線(link-up)或非連線(link-down)狀態。需注意的是，控制封包3僅繪示用於實現本發明實施例之必要欄位，且不限於此，本領域具通常知識者需視實際需求調整控制封包3之具體內容。

本發明實施例中的群組G1~G3可視為網路系統2中實施網路耦合備援方法之最小單位。也就是說，每一群組皆為主網路20耦合一子網路群組，由至少一主網路交換器進行資料轉發，並透過一備用網路交換器待命以進行備援。網路系統2的網路耦合備援方法可歸納為一網路耦合備援流程4，如第4圖所示。網路耦合備援流程4包含以下步驟：

步驟400：開始。

步驟402：備用網路交換器定期發送一第一控制封包。

步驟404：響應於接收第一控制封包，至少一主網路交換器發送一第一確認封包(acknowledgment，ACK)。

步驟406：當備用網路交換器未接收到至少一主網路交換器之一主網路交換器的第一確認封包滿足第一條件時，進行鏈路切換。

步驟408：當主網路交換器滿足一第二條件時，發送一第二控制封包；步驟410：響應於接收第二控制封包，備用網路交換器發送一第二確認封包，並根據該第二控制封包進行鏈路切換。

步驟412：響應於接收第二確認封包，主網路交換器進行鏈路切換。

步驟414：結束。

根據網路耦合備援流程4，備用網路交換器定期發送第一控制封包 (步驟402)，並根據主網路交換器所回應之第一確認封包確認主網路交換器的狀態(步驟404)。當滿足第一條件時，可判斷主網路交換器失效(如故障或無法連線)，並進行鏈路切換以做備援(步驟406)。此外，當滿足一第二條件時，主網路交換器判斷需進行鏈路切換，因此發送第二控制封包給備用網路交換器(步驟408)。備用網路交換器回應第二確認封包，並根據第二控制封包之資訊進行鏈路切換(步驟410)。最後，接收第二確認封包後，主網路交換器進行鏈路切換(步驟412)。其中，第一控制封包、第一確認封包、第二控制封包以及第二確認封包，可參考第3圖之控制封包3，其說明本發明所使用的控制封包的具體格式與內容。

詳細來說，請同時參考第5A圖、第5B圖，第5A圖、第5B圖繪示第2圖中網路系統2的群組G2進行網路耦合備援流程4之一實施態樣。請先參考第5A圖，於步驟402中，備用網路交換器24_1定期於主網路20或子網路N5~N7中發送第一控制封包P1(僅繪示於主網路20發送第一控制封包P1之情形)，第一控制封包P1之酬載34內容可如下表一所示。其中，發送者位址341即為備用網路交換器24_1之位址MAC1。鏈路數343表示備用網路交換器24_1所連接之子網路數量，鏈路識別碼344與連線狀態345分別記錄由網路交換器24_1連線至子網路N5~N7之鏈路L9~L11之連線狀態。如表一所示，連線狀態345皆為link-up時，表示備用網路交換器24_1可隨時為子網路N5~N7進行線路切換以做備援。需注意的是，第一控制封包P1需攜帶備用網路交換器24_1所連接之所有子網路N5~N7之連線狀態。

請繼續參考第5A圖，於步驟404中，在接收到第一控制封包P1後，主網路交換器24_2、24_3需發送第一確認封包P1_ACK以回報連線狀態。主網路交換器24_2所發送的第一確認封包P1_ACK之酬載34內容可如下表二所示。其中，發送者位址341即為主網路交換器24_2之位址MAC2，夥伴位址342為備用網路交換器24_1之位址MAC1。鏈路數343表示主網路交換器24_2所連接之子網路數量，鏈路識別碼344與連線狀態345分別記錄由主網路交換器24_2連線至子網路N5、N6之鏈路L12、L13之連線狀態。如表二所示，連線狀態345皆為link-up時，表示主網路交換器24_2連接至子網路N5、N6之鏈路L12、L13皆正常運作中。需注意的是，第一確認封包P1_ACK需攜帶主網路交換器24_2所連接之所有子網路N5、N6之連線狀態。

主網路交換器24_3所發送的第一確認封包P1_ACK之酬載34內容可如下表三所示。其中，發送者位址341即為主網路交換器24_3之位址MAC3，夥伴位 址342為備用網路交換器24_1之位址MAC1。鏈路數343表示主網路交換器24_3所連接之子網路數量，鏈路識別碼344與連線狀態345記錄由主網路交換器24_3連線至子網路N7之鏈路L14之連線狀態。如表三所示，連線狀態345皆為link-up時，表示主網路交換器24_3連接至子網路N7之鏈路L14正常運作中。

於步驟406中，備用網路交換器24_1接收來自主網路交換器24_2、24_3發送之第一確認封包P1_ACK。透過第一確認封包P1_ACK，備用網路交換器24_1可以取得主網路交換器24_2、24_3與子網路N5~N7之連線狀態。當備用網路交換器24_1未接收到其中一主網路交換器之第一確認封包P1_ACK時，應確認是否滿足第一條件，以決定是否進行鏈路切換。第一條件可以是未接收到同一主網路交換器之第一確認封包P1_ACK超過一預定次數時，抑或是未接收到同一主網路交換器之第一確認封包P1_ACK超過一預定時間等情況，且不限於此。當滿足第一條件時，備用網路交換器24_1可判斷該主網路交換器已失效或故障，並進行鏈路切換為其備援。請參考第5B圖，其繪示當主網路交換器24_2失效時之狀況。當主網路交換器24_2失效時，備用網路交換器24_1將無法接收到主網路交換器24_2所發送之第一確認封包P1_ACK。當滿足第一條件時，例如，備用網路交換器24_1連續發送三次第一控制封包P1至主網路20，皆僅收到主網路交換器24_3所回復之第一確認封包P1_ACK而未收到主網路交換器24_2所回復之第一確認封 包P1_ACK，備用網路交換器24_1即可判斷主網路交換器24_2已失效或故障。在此情況下，備用網路交換器24_1將為主網路交換器24_2做備援，進行鏈路切換。如第5B圖所示，備用網路交換器24_1將開通連接於子網路N5、N6之連接埠(設為forwarding)，並透過鏈路L9、L10進行主網路與子網路N5、N6之間的資料轉發。據此，備用網路交換器可以偵測所備援的主網路交換器是否失效，並為其備援。需注意的是，備用網路交換器24_1可分別儲存相關於主網路交換器24_2、24_3所連接之子網路資訊(透過第一確認封包P1_ACK於裝置失效前所取得)，因此，當判斷主網路交換器24_2、24_3失效時，即可載入已儲存之資訊，並據此切換失效的主網路交換器所連接之子網路的鏈路。

請參考第6A圖、第6B圖，第6A圖、第6B圖繪示第2圖中網路系統2的群組G2進行網路耦合備援流程4之另一實施態樣。請先參考第6A圖，於步驟408中，當主網路交換器24_2滿足第二條件時，發送第二控制封包P2，以要求進行鏈路切換。第二條件可包含當主網路交換器24_2啟動或恢復運作時，須將由備用網路交換器24_1所備援之路徑切換回來的情況，以及當主網路交換器24_2偵測到所連接之鏈路由失效狀態恢復到連線狀態時，需切換回來的情況。另一方面，第二條件還可包含當主網路交換器24_2偵測到所連接之鏈路失效時，需交由備用網路交換器24_1進行備援之情況。第二控制封包P2至少攜帶所需切換鏈路所對應的子網路連線狀態，以使備用網路交換器可以根據第二控制封包P2進行鏈路切換。

以第6A圖中主網路交換器24_2偵測到其與子網路N5之間的鏈路L12失效為例，主網路交換器24_2可於主網路20發送第二控制封包P2，以通知備用網路交換器24_1切換鏈路進行備援。主網路交換器24_2所發送之第二控制封包P2之酬載34內容可如下表四所示。其中，發送者位址341即為主網路交換器24_2之 位址MAC2，夥伴位址342為備用網路交換器24_1之位址MAC1。鏈路數343表示主網路交換器24_2所連接之子網路中，鏈路需要變動的子網路數量，鏈路識別碼344與連線狀態345可用於記錄由主網路交換器24_2連線至子網路N5、N6之鏈路L12、L13之連線狀態。如表四所示，主網路交換器24_2所連接的子網路N5的子網路識別碼344為5，其對應的連線狀態345為link-down。也就是說，第二控制封包P2中攜帶了主網路交換器24_2連接至子網路N5之鏈路L12之運作狀況(非連線狀態)。需注意的是，第二控制封包P2中僅需攜帶需要進行鏈路切換之鏈路L12的鏈路狀態，不須攜帶連線狀態未改變之鏈路L13之鏈路狀態。

請參考第6B圖，根據網路耦合備援流程4，於步驟410中，接收到第二控制封包P2的備用網路交換器24_1發送第二確認封包P2_ACK。備用網路交換器24_1所發送之第二確認封包P2_ACK之酬載34內容可如下表五所示。其中，發送者位址341即為備用網路交換器24_1之位址MAC1，夥伴位址則為發出第二控制封包P2的主網路交換器24_2之位址MAC2。鏈路數343表示備用網路交換器24_1所連接之子網路中，鏈路需要變動的子網路數量，鏈路識別碼344與連線狀態345可用於記錄由備用網路交換器24_1連線至子網路N5~N7之鏈路L9~L11之連線狀態。如表五所示，第二確認封包P2_ACK攜帶備用網路交換器24_1所連接的子網路N5的子網路識別碼344為5，其對應的連線狀態345為link-up，因此，主網路 20與子網路N5之間的連線，可以由主網路交換器24_2所連接的失效鏈路L12切換為由備用網路交換器24_1連接的鏈路L9。於此過程中，備用網路交換器24_1須將連接鏈路L9之通訊埠由阻塞(blocking)狀態改為轉發(forward)狀態，以進行主網路20與子網路N5之間的資料轉發。需注意的是，第二確認封包P2_ACK中僅需攜帶對應於第二控制封包P2中之子網路的鏈路狀態資訊，也就是對應子網路N5之鏈路L9之鏈路狀態。

根據網路耦合備援流程4，於步驟410中，當主網路交換器24_2接收到來自備用網路交換器24_1所回覆的第二確認封包P2_ACK後，主網路交換器24_2須將連接鏈路L12之通訊埠由轉發狀態改為阻塞狀態，將主網路20與子網路N5之間的資料轉發交由備用網路交換器24_1透過鏈路L9進行。

另一方面，根據網路耦合備援流程4，當主網路交換器24_2偵測到其與子網路N5之間的鏈路L12恢復連線時，於步驟408中，主網路交換器24_2可於主網路20再次發出要求鏈路切換之第二控制封包P2，其酬載34內容可如下表六所示。其中，攜帶主網路交換器24_2所連接的子網路N5的子網路識別碼344為5，其對應的連線狀態345為link-up，換句話說，鏈路L12已恢復為連線狀態。當備用網路交換器24_1接收到第二控制封包P2時，將回復第二確認封包P2_ACK，並進行 鏈路切換。也就是說，主網路20與子網路N5之間的連線，可以由備用網路交換器24_1連接的鏈路L9切換為由主網路交換器24_2所連接的鏈路L12。於此過程中，備用網路交換器24_1須將連接鏈路L9之通訊埠由轉發狀態改為阻塞狀態，以作為備援繼續待命；主網路交換器24_2需須將連接鏈路L12之通訊埠由阻塞狀態改為轉發狀態，以再次進行主網路20與子網路N5之間的資料轉發。

據此，網路系統2透過群組的方式，將主網路20的網路交換器分為複數個交換器群組，分別連接至複數個子網路群組。透過在控制封包特別設定的群播位址(目的位址31)，使群組之間互不干擾。每一交換器群組中，可由一個備用網路交換器同時備援多個主網路交換器，因此可以減少所需的裝置數量。此外，交換器群組透過控制封包的交換實現網路耦合的備援方法，控制封包中同時帶有複數個鏈路的連線狀態，可以有效減少控制封包流通的數量，同時，可以兼容多種與主網路交換器與子網路的連接方式。

上述關於備用網路交換器實現網路耦合備援的方法，以備用網路交換器24_1為例，可歸納為流程70、72，如第7A圖、第7B圖所示。流程70包含以下步驟：

步驟700：開始。

步驟701：定期發送第一控制封包。

步驟702：接收第一確認封包。

步驟703：判斷是否滿足第一條件？若是，執行步驟704；若否，執行步驟702。

步驟704：進行備援，執行鏈路切換。

步驟705：結束。

根據流程70，於步驟701中，備用網路交換器24_1定期於主網路20或子網路N5~N7發送第一控制封包，第一控制封包包含備用網路交換器24_1與子網路N5~N7之間的連線狀態。於步驟702中，備用網路交換器24_1接收來自屬於同群組的主網路交換器24_2、24_3的第一確認封包。於步驟703中，備用網路交換器24_1根據所收到的第一確認封包來判斷主網路交換器24_2、24_3之運作狀態。當所收到的第一確認封包是否滿足第一條件時，判斷主網路交換器24_2、24_3其中之一已失效，並執行步驟704。以主網路交換器24_2失效為例，於步驟704中，備用網路交換器24_1為主網路交換器24_2進行備援，並進行鏈路切換，將原本由主網路交換器24_2連接之子網路N5、N6，改由備用網路交換器24_1透過鏈路L9、L10連接，以進行主網路20與子網路N5、N6之間的資料轉發。

在備用網路交換器執行流程70時，也同步執行流程72，以監聽是否有來自主網路交換機之第二控制封包。流程72包含以下步驟：

步驟720：開始。

步驟721：等待第二控制封包。

步驟722：判斷是否接收到第二控制封包？若是，執行步驟723；若否，執行步驟721。

步驟723：發送第二確認封包。

步驟724：進行備援，執行鏈路切換。

步驟725：結束。

根據流程72，於步驟721中，備用網路交換器24_1持續監聽來自同群組的主網路交換器24_2、24_3的第二控制封包，第二控制封包包含主網路交換器與其所連接的子網路之間的連線狀態。於步驟722中，備用網路交換器24_1判斷是否有接收到第二控制封包，若有，執行步驟723。以備用網路交換器24_1收到來自主網路交換器24_2之第二控制封包為例，於步驟723中，備用網路交換器24_1發送第二確認封包給主網路交換器24_2。接著，於步驟724中，備用網路交換器24_1根據第二控制封包所載鏈路連線狀態進行鏈路切換。

上述關於主網路交換器實現網路耦合備援的方法，以主網路交換器24_2為例，可歸納為流程80、82，如第8A圖、第8B圖所示。流程80包含以下步驟：

步驟800：開始。

步驟801：等待第一控制封包。

步驟802：判斷是否接收到第一控制封包？若是，執行步驟803；若否，執行步驟804。

步驟803：發送第一確認封包。

步驟804：判斷是否滿足第三條件？若是，執行步驟805；若否，執行步驟801。

步驟805：執行鏈路切換。

步驟806：結束。

根據流程80，於步驟801中，主網路交換器24_2等待來自同群組的備用網路交換器24_1的第一控制封包，並於步驟802中判斷是否收到第一控制封包。若主網路交換器24_2接收到第一控制封包，則可判斷備用網路交換器24_1運作正常，並於步驟803中發送第一確認封包給備用網路交換器24_1。若主網路交換器24_2未接收到第一控制封包，則須於步驟804中判斷是否滿足第三條件以進行後續處理。第三條件包含判斷備用網路交換器24_1已失效以及主網路交換器24_2所連接之鏈路狀態為連線狀態且對應之連接埠為非轉發(forward)狀態。判斷備用網路交換器24_1是否已失效可以根據未接收到備用網路交換器24_1之第一控制封包超過一預定時間，且不限於此。當滿足第三條件時，主網路交換器24_2於步驟805時進行鏈路切換以取代原本由已失效之備用網路交換器24_1備援之鏈路。其中，第一確認封包包含主網路交換器24_2與其所連接的子網路N5、N6之間的鏈路L12、L13之連線狀態。

在主網路交換器執行流程80時，也同步執行流程82，以於須進行鏈路切換的情況下通知備用網路交換器。流程82包含以下步驟：

步驟820：開始。

步驟821：偵測鏈路連接狀態。

步驟822：判斷是否滿足第二條件？若是，執行步驟823；若否，執行步驟821。

步驟823：發送第二控制封包。

步驟824：接收第二確認封包。

步驟825：執行鏈路切換。

步驟826：結束。

根據流程82，於步驟821中，主網路交換器24_2持續偵測與子網路N5、N6之間的鏈路L12、L13之連線狀態。於步驟822中，主網路交換器24_2判斷是否有滿足第二條件，若有，執行步驟823。以主網路交換器24_2與子網路N5間的鏈路L12失效為例，於步驟823中，主網路交換器24_2發送第二控制封包給備用網路交換器24_1。其中，第二控制封包的酬載34如表四所列，其中，連接至子網路N5之鏈路L12為非連線狀態，備用網路交換器24_1可據此進行鏈路切換。接著，於步驟824中，主網路交換器24_2接收來自備用網路交換器24_1之第二確認封包。最後，於步驟825，主網路交換器24_2進行鏈路切換。

在本發明實施例中，第一控制封包以及第一確認封包中可以同時攜帶相關於多個子網路的鏈路連接狀態，因此，可以有效減少封包的數量；第二控制封包以及第二確認封包中可以僅攜帶需進行鏈路切換的子網路以及對應鏈路資訊，因此，可以減少封包的資訊量。此外，透過此機制，可以進行網路配置錯誤的偵測與容錯，並回報錯誤訊息。

請參考第9圖，第9圖為本發明實施例之一錯誤配置之示意圖。第9圖繪示了網路系統2中另一群組G4之網路耦合配置。具體來說，群組G4包含子網路N11~N13、主網路交換器27_2、27_3以及備用網路交換器27_1、27_4。其中，備用網路交換器27_1透過鏈路L21、L22耦接於子網路N11、N12，備用網路交換器27_4透過鏈路L23耦接於子網路N13。主網路交換器27_2透過鏈路L24、L26耦接於子網路N11、N13，而主網路交換器27_3透過鏈路L25耦接於子網路N12。由第9圖可以看出，群組G4中錯誤地配置了兩個備用網路交換器。當備用網路交換器27_1、27_4發送第一控制封包，並接收來自主網路交換器27_2、27_3發送之第一 確認封包時，透過第一確認封包可偵測出錯誤的連線狀態。具體來說，當備用網路交換器27_1收到主網路交換器27_2之第一確認封包時，解析第一確認封包後，透過鏈路識別碼344，可以得到主網路交換器27_2連接子網路N11、N13之資訊。由於子網路N13不屬於備用網路交換器27_1所連接之子網路N11、N12中之一者，因此，備用網路交換器27_1可以偵測到群組G4中有錯誤的網路配置。同樣地，備用網路交換器27_4也可透過第一確認封包發現主網路交換器27_2、27_3分別連接了備用網路交換器27_4所未連接的子網路N11與子網路N12，因此，備用網路交換器27_4可以偵測到群組G4中有錯誤的網路配置。在此情況下，在與子網路的連接方式中部發生衝突的狀況下，備用網路交換器27_1、27_4可以持續運作，並回報錯誤訊息。

請參考第10圖，第10圖為本發明實施例之另一錯誤配置之示意圖。第10圖繪示了網路系統2中另一群組G5之網路耦合配置。具體來說，群組G5包含子網路N14、N15、主網路交換器28_2、28_3以及備用網路交換器28_1、28_4。其中，備用網路交換器28_1透過鏈路L27、L28耦接於子網路N14、N15，備用網路交換器28_4透過鏈路L29耦接於子網路N15。主網路交換器28_2透過鏈路L30耦接於子網路N14，而主網路交換器28_3透過鏈路L31耦接於子網路N15。由第10圖可以看出，群組G5中錯誤地配置了兩個備用網路交換器28_1、28_4，並且兩個備用網路交換器28_1、28_4同時連接至子網路N15。在此情況下，主網路交換器28_2、28_3可以透過來自備用網路交換器28_1、28_4之第一控制封包或第二確認封包，偵測出錯誤的連線狀態。具體來說，主網路交換器28_3可收到來自備用網路交換器28_1的第一控制封包，解析第一控制封包後，透過鏈路識別碼344，可以得到備用網路交換器28_1連接子網路N15之資訊。同樣地，主網路交換器28_3也可收到來自備用網路交換器28_4的第一控制封包，解析第一控制封包後，透過鏈路識 別碼344，可以得到備用網路交換器28_4亦連接子網路N15之資訊。據此，主網路交換器28_3偵測到群組G5中有錯誤的網路配置，並回報錯誤訊息。在此情況下，主網路交換器28_3發送第一確認封包時，發送對象將為兩個備用網路交換器28_1、28_4之中MAC位址較小者。假設備用網路交換器28_1為MAC位址較小者，也就是說，主網路交換器28_3所發送的第一確認封包中，夥伴位址342將設置為備用網路交換器28_1的MAC位址。在此情況下，當主網路交換器28_3偵測到鏈路L31失效時，將發送第二控制封包給備用網路交換器28_1。也就是說，主網路交換器28_3所發送的第二控制封包中，夥伴位址342也將設置為備用網路交換器28_1的MAC位址。

需注意的是，主網路交換器28_3雖發送第一確認封包以及第二控制封包給備用網路交換器28_1，然而，屬於同一群組G5的備用網路交換器28_4同樣可以收到主網路交換器28_3所發送的第一確認封包以及第二控制封包。具體來說，如前述般，同一群組之控制封包的發送，皆是透過帶有群組識別碼之目的位址31於主網路20上以群播的方式發送，因此屬於同一群組之網路交換器28_1~28_4皆可讀取並解析彼此發送之控制封包。因此，備用網路交換器28_4同樣可以解析主網路交換器28_3發送給備用網路交換器28_1的第一確認封包以及第二控制封包，並根據夥伴位址342取得由另一備用網路交換器28_1進行備援之資訊。在此情況下，當主網路交換器28_3失效時，備用網路交換器28_4不需進行鏈路切換以做備援。據此，網路系統2可以有效偵測錯誤以及容錯。

請參考第11圖，第11圖為本發明實施例之另一錯誤配置之示意圖。第11圖繪示了網路系統2中另一群組G6之網路耦合配置。具體來說，群組G6包含子網路N16、N17、主網路交換器29_2、29_3以及備用網路交換器29_1。其中，備 用網路交換器29_1透過鏈路L32、L33耦接於子網路N16、N17。主網路交換器29_2透過鏈路L34耦接於子網路N16，而主網路交換器29_3透過鏈路L35、L36耦接於子網路N16、N17。由第11圖可以看出，群組G6中錯誤地同時配置了兩個主網路交換器29_2、29_3連接至子網路L16。在此情況下，備用網路交換器29_1可以透過來自主網路交換器29_2、29_3之第一確認封包或第二控制封包，偵測出錯誤的連線狀態，並回報錯誤訊息。具體來說，備用網路交換器29_1發出第一控制封包後，可收到來自主網路交換器29_2的第一確認封包，解析第一確認封包後，透過鏈路識別碼344，可以得到主網路交換器29_2連接子網路N16之資訊。同樣地，備用網路交換器29_1可收到來自主網路交換器29_3的第一確認封包，解析第一確認封包後，透過鏈路識別碼344，可以得到主網路交換器29_3連接子網路N16、N17之資訊。因此，備用網路交換器29_1可以偵測到主網路交換器29_2、29_3同時連接到子網路L16。

進一步地，請參考第12圖，其為本發明實施例之一網路裝置120之示意圖。網路裝置120可用以實現本發明實施例之主網路交換器22_2~22_5、24_2~24_3、26_2、27_2、24_3、28_2、28_3、29_2、29_3以及備用網路交換器22_1、24_1、26_1、27_1、27_4、28_1、28_4、29_1。如第12圖所示，網路裝置120可包含一處理單元1200以及一儲存單元1202。處理單元1200可為通用處理器、微處理器、特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等或其組合。儲存單元1202耦接於處理單元1200，可為任一資料儲存裝置，用來儲存一程式碼1204，並透過處理單元1200讀取及執行程式碼1204。舉例來說，儲存單元1202可為唯讀式記憶體(ROM)、快閃記憶體(flash memory)、隨機存取記憶體(RAM)、硬碟及光學資料儲存裝置(optical data storage device)及非揮發性儲存單元等，但不限於此。此外，裝置120另包含複數個連接埠(未繪示於圖中)，用以連接多 個子網路以及主網路之複數個網路裝置。

網路裝置120用以表示實現本發明實施例所需之必要元件，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾、調整，而不限於此。舉例來說，當以網路裝置120實現主網路交換器時，可將網路耦合備援方法之流程80、82編譯為程式碼1204，並儲存於儲存單元1202中，由處理單元1200執行網路耦合備援方法。當以網路裝置120實現備用網路交換器時，可將網路耦合備援方法之流程70、72編譯為程式碼1204，並儲存於儲存單元1202中，由處理單元1200執行網路耦合備援方法。此外，儲存單元1202亦用於儲存同一交換器群組中的網路交換器與其所連接的子網路之連線狀態資訊以及網路耦合備援方法運行時所需之資料，且不限於此。

綜上所述，本發明提供一網路耦合備援方法、裝置與網路架構，可在網路耦合時，以一個備用網路交換器對多個主網路交換器進行備援，減少所需之裝置數量。透過分群將網路交換器劃分為多個群組，使群組之間互不干擾，減少所需處理的控制封包數量。此外，控制封包同時可攜帶多個鏈路的連線狀態，進一步減少控制封包的數量。藉此，在確保網路耦合的可靠性與穩定性的同時，降低成本並提升效能，改善習知技術的缺點。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

2:網路系統

20:主網路

N1~N10:子網路

L1~L20:鏈路

G1~G3:群組

C1~C3:交換器群組

S1~S3:子網路群組

22_1、24_1、26_1:備用網路交換器

22_2~22_5、24_2、24_3、26_2:主網路交換器

Claims (21)

1. 一種主網路交換器，配置於一主網路之一交換器群組，透過至少一第一鏈路耦接於一子網路群組之至少一第一子網路，包含：一處理單元，用來執行一程式碼；以及一儲存單元，耦接於該處理單元，用來儲存該程式碼，以指示該處理單元執行一網路耦合備援方法，該網路耦合備援方法包含有：接收來自該交換器群組之一備用網路交換器之一第一控制封包；響應於未接收到該第一控制封包，根據一第一切換條件進行鏈路切換；響應於接收該第一控制封包，發送包含該至少一第一子網路的連線狀態之一第一確認封包(acknowledgment，ACK)；發送一第二控制封包給該備用網路交換器；以及響應於發送該第二控制封包，自該備用網路交換器接收一第二確認封包，並於接收第二確認封包後進行鏈路切換；其中，該交換器群組之該備用網路交換器耦接於該子網路群組之每一子網路。
2. 如請求項1所述之主網路交換器，其中該第一切換條件係未接收到該備用網路交換器的該第一控制封包達一預定時間以及該主網路交換器所連接之一鏈路之一鏈路狀態為連線狀態(linkup)且其對應之一連接埠為非轉發(forward)狀態。
3. 如請求項1所述之主網路交換器，其中該第一控制封包、該第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包以群播(multicast)發送，且該第一控制封包、該第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包之目 的位址包含該交換器群組之一群組識別碼(ID)。
4. 如請求項1所述之主網路交換器，其中該備用網路交換器透過至少一第二鏈路耦接該子網路群組之至少一第二子網路，該第一控制封包包含該至少一第二子網路的連線狀態。
5. 如請求項4所述之主網路交換器，根據該第一控制封包中該至少一第二子網路的連線狀態進行網路配置之一錯誤偵測。
6. 如請求項1所述之主網路交換器，其中當該交換器群組包含另一備用網路交換器時，該另一備用網路交換器的一媒體存取控制位址(MAC address)大於該備用網路交換器的一媒體存取控制位址，該主網路交換器回報錯誤訊息。
7. 如請求項1所述之主網路交換器，其中發送該第二控制封包給該備用網路交換器，係於該主網路交換器恢復運作或當該至少一第一鏈路之一鏈路失效(link-down)或恢復連線(link-up)時，發送該第二控制封包給該備用網路交換器。
8. 如請求項7所述之主網路交換器，該第二控制封包至少包含需進行鏈路切換之一子網路的連線狀態。
9. 一種備用網路交換器，配置於一主網路之一交換器群組，透過至少一第一鏈路耦接於一子網路群組之至少一第一子網路，包含： 一處理單元，用來執行一程式碼；以及一儲存單元，耦接於該處理單元，用來儲存該程式碼，以指示該處理單元執行一網路耦合備援方法，該網路耦合備援方法包含有：定期發送包含該至少一第一子網路的連線狀態的一第一控制封包至該交換器群組之至少一主網路交換器；響應於發送該第一控制封包，自該至少一主網路交換器接收至少一第一確認封包(acknowledgment，ACK)；根據一第一條件進行鏈路切換；以及響應於接收到該至少一主網路交換器的一第二控制封包時，發送一第二確認封包，並根據該第二控制封包進行鏈路切換；其中，該備用網路交換器耦接於該子網路群組之每一子網路。
10. 如請求項9所述之備用網路交換器，其中該第一控制封包、該至少一第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包以群播(multicast)發送，且該第一控制封包、該至少一第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包之目的位址包含該交換器群組之一群組識別碼(ID)。
11. 如請求項9所述之備用網路交換器，其中該至少一主網路交換器之每一主網路交換器透過至少一第二鏈路耦接該子網路群組之至少一第二子網路，該至少一第一確認封包之每一第一確認封包包含該每一主網路交換器之該至少一第二子網路的連線狀態。
12. 如請求項11所述之備用網路交換器，其中該網路耦合備援方法另包含根據該至少一第一確認封包中該至少一第二子網路的連線狀態進行網 路配置之一錯誤偵測。
13. 如請求項12所述之備用網路交換器，其中當該至少一第一確認封包之一第一確認封包中載有不屬於該至少一第一子網路之子網路之連線狀態時，回報錯誤訊息。
14. 如請求項12所述之備用網路交換器，其中當該至少一第一確認封包之不同第一確認封包中載有同一子網路之連線狀態時，回報錯誤訊息。
15. 如請求項11所述之備用網路交換器，其中該第一條件係未接收到該至少一主網路交換器之一主網路交換器的該第一確認封包的一次數；根據該第一條件進行鏈路切換係於該第一條件的該次數超過一預定次數時，切換該主網路交換器的該至少一第二鏈路。
16. 如請求項9所述之備用網路交換器，其中根據該第二控制封包進行鏈路切換係根據該第二控制封包所載之至少一子網路之連線狀態。
17. 一種為網路耦合備援之網路架構，包含：複數個子網路，屬於複數個子網路群組；以及一主網路，包含複數個交換器群組，該複數個交換器群組之每一交換器群組耦接該複數個子網路群組之一子網路群組，並包含：至少一主網路交換器，耦接於該子網路群組，其中該至少一主網路交換器之每一主網路交換器透過至少一第一鏈路耦接於該子網路群組之至少一第一子網路；以及 一備用網路交換器，透過至少一第二鏈路耦接該子網路群組；其中，該複數個交換器群組之每一交換器群組用於執行一網路耦合備援方法，包含：該備用網路交換器定期發送包含該至少一第二鏈路的連線狀態的一第一控制封包；響應於接收該第一控制封包，該至少一主網路交換器之該每一主網路交換器發送包含該至少一第一鏈路的連線狀態之一第一確認封包(acknowledgment，ACK)；該備用網路交換器根據一第一條件進行鏈路切換；該至少一主網路交換器根據一第二條件發送一第二控制封包；響應於接收該第二控制封包，該備用網路交換器回復一第二確認封包，並根據該第二控制封包進行鏈路切換；以及響應於接收該第二確認封包，該至少一主網路交換器進行鏈路切換；其中，該備用網路交換器耦接於該子網路群組之每一子網路。
18. 如請求項17所述之網路架構，其中該第一控制封包、該第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包以群播(multicast)發送，且該第一控制封包、該第一確認封包、該第二控制封包及該第二確認封包之目的位址包含所屬交換器群組之一群組識別碼(ID)。
19. 如請求項17所述之網路架構，其中該網路耦合備援方法中，該第一條件係該備用網路交換器未接收到該至少一主網路交換器之一主網路交換器的該第一確認封包的一次數；該備用網路交換器根據該第一條件進行鏈路切換係於該第一條件的該次數超過一預定次數時，切換該主網路交換器的 該至少一第一鏈路。
20. 如請求項17所述之網路架構，其中該網路耦合備援方法中，該第二條件係於該至少一主網路交換器之一主網路交換器恢復運作或當該至少一第一鏈路之一鏈路失效(link-down)或恢復連線(link-up)時，該主網路交換器發送該第二控制封包。
21. 如請求項17所述之網路架構，其中根據該第二控制封包進行鏈路切換係根據該第二控制封包所載之至少一子網路之連線狀態。

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