CN114978418B - 一种高可靠以太网网络传输方法和*** - Google Patents

一种高可靠以太网网络传输方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高可靠以太网网络传输方法和***，属于网络技术领域。本发明采用数据冗余校验的方法，在计算机网络数据的发送端，通过接收网络层数据，计算数据校验值，将数据和校验数据同步发往接收端。在接收端，通过数据和校验值的校验计算还原数据，从而可以在不依赖冗余链路的情况下实现以太网数据的可靠传输。

Description

一种高可靠以太网网络传输方法和***
技术领域
本发明属于网络技术领域，具体涉及一种高可靠以太网网络传输方法和***。
背景技术
目前以太网仍然是主要的数据链路层传输协议，随着工业互联网、车联网等领域对计算机网络传输可靠性的要求日益提高，一些应用场景中提出了“零丢包”的需求。而在计算机网络协议的设计上，数据链路层和网络层协议不提供可靠传输，可靠传输需要通过传输层协议实现。而传输层协议提供的可靠传输是基于重传机制，实时性较差，不能够满足高实时性需求的工业4.0等场景。
基于这种高可靠高实时的网络传输需求，一些高可靠协议被开发出来。例如Parallel Redundancy Protocol(并行冗余协议)，通过采用并行的冗余线程传输提供高可靠性。但是这种网络技术需要通过网络链路冗余的方式实现，而且需要特殊的设备支持，成本过高，难以大面积推广使用。如何设计一种低成本的高可靠以太网网络传输方法，仍是目前亟需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种高可靠网络传输方法和***，以实现在现有以太网环境下高可靠的网络传输，有效解决以太网传输丢包的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高可靠以太网网络传输***，包括网络层数据处理模块，数据分解模块、校验计算模块，数据重组模块和链路层数据处理模块；
其中，在数据发送端，所述网络层数据处理模块用于从网络协议栈的网络层获取网络层的数据包；所述数据分解模块用于将所述数据包以模除2的方式分解为2份，即2份数据帧；所述校验计算模块，用于对来自数据分解模块的2份数据进行异或计算获得校验数据作为第3份数据，即1份校验帧；所述链路层数据处理模块用于将2份数据帧和1份校验帧输出给网络协议栈的数据链路层；
在数据接收端，所述链路层数据处理模块用于从数据链路层获取数据帧；所述数据重组模块用于将来自链路层数据处理模块的数据帧重组，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据，如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据，由网络层数据处理模块将还原出的网络层数据包输出给网络协议栈的网络层。
优选地，所述数据包为IP数据包。
本发明还提供了一种利用所述***实现的高可靠以太网网络传输方法。
优选地，该方法包括以下步骤：
在数据发送端，所述网络层数据处理模块从网络协议栈的网络层获取网络层的数据包；所述数据分解模块将所述数据包以模除2的方式分解为2份，即2份数据帧；所述校验计算模块，对来自数据分解模块的2份数据进行异或计算获得校验数据作为第3份数据，即1份校验帧；所述链路层数据处理模块将2份数据帧和1份校验帧输出给网络协议栈的数据链路层；
在数据接收端，所述链路层数据处理模块从数据链路层获取数据帧；所述数据重组模块将来自链路层数据处理模块的数据帧重组，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据，如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据，由网络层数据处理模块将还原出的网络层数据包输出给网络协议栈的网络层。
优选地，所述网络层数据处理模块从网络协议栈的网络层获取IP数据包后，提取IP数据包中的IP负载部分。
优选地，所述数据分解模块将所述数据包以模除2的方式分解为2份具体为：将IP负载数据以字节为单位，根据字节的顺序，模除2，分为两份，即奇数字节为1份，偶数字节为1份，如果负载部分为奇数，则通过补0构成偶数字节。
优选地，所述链路层数据处理模块将2份负载数据和1份负载数据的校验值均添加原IP包头，并在负载尾部添加标签数据，得到2份负载数据和1份校验值，提交给数据链路层，其中标签数据长度1个字节，奇数负载标签为0F，偶数负载标签为F0，校验值标签为FF。
优选地，所述链路层数据处理模块从数据链路层在定时器规定范围内接收以太网帧，提取以太网帧的负载部分，如果规定定时器范围内接收到IP序列号相同的2个或以上的帧，则将帧内负载提取。
优选地，所述数据重组模块将来自链路层数据处理模块的数据帧重组时，将提取的负载，根据尾部的1个字节的标识符进行区分，其中标识符为0F的为奇数负载，标识符为F0的为偶数负载，标识符为FF的为校验值，如果收到了2个负载数据，则直接将数据重组；如果收到了奇数组数据和校验值，则先计算出偶数组数据，再将数据重组，如果收到了偶数组数据和校验值，则计算出奇数组数据再进行数据重组。
优选地，所述网络层数据处理模块将重组的负载数据封装元IP包头，作为IP数据包提交给网络层。
(三)有益效果
本发明采用数据冗余校验的方法，在计算机网络数据的发送端，通过接收网络层数据，计算数据校验值，将数据和校验数据同步发往接收端。在接收端，通过数据和校验值的校验计算还原数据，从而可以在不依赖冗余链路的情况下实现以太网数据的可靠传输。
附图说明
图1为本发明的高可靠以太网网络传输***基本框架示意图；
图2为本发明的数据可靠发送流程图；
图3为本发明的数据接收验证流程图；
图4为本发明的数据分解图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在本发明中，网络拓扑采用以太网连接方式，各网络节点通过以太网交换机连接，采用星型拓扑，以太网帧格式采用IEEE 802.3标准定义的格式。由于计算机操作***中网络协议栈处理机制的设计，网络层数据需要经过数据链路层处理，按照以太网帧的格式发送出去。本发明在计算机的网络协议栈中增加一个可靠传输***，在发送端，将网络层处理的数据作为输入，通过可靠性处理之后由计算机网络协议栈的数据链路层封包转发；在接收端，从计算机数据链路层接收数据，确认可靠性(还原出数据)后，将数据输出给网络层。
本发明通过在可靠传输***中采用数据冗余机制，将传输数据按字节顺序模除2分为两份，对两份数据进行异或计算获得校验数据，将3份数据分作3个以太网帧发送，其中2个数据帧，1个校验帧。在接收端，根据接收到的以太网帧还原发送数据，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据；如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据。通过这种方法可以保证数据在丢失1/3数据的情况下实现可靠传输。
具体而言，本发明的高可靠以太网网络传输***由网络层数据处理模块，数据分解模块、校验计算模块，数据重组模块和链路层数据处理模块组成。如图1所示。其中在数据发送端，网络层数据处理模块从网络协议栈的网络层获取网络层的数据包；数据分解模块将数据包以模除2的方式分解为2份；校验计算模块，对2份数据进行异或计算获得校验数据作为第3份数据，如图4所示；链路层数据处理模块将2个数据帧，1个校验帧输出给网络协议栈的数据链路层；在接收端，链路层数据处理模块从数据链路层获取数据帧，数据重组模块将数据帧重组，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据；如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据，由网络层数据处理模块将网络层数据包输出给网络协议栈的网络层。
以IP数据包发送和接收为例，本发明的一种高可靠以太网网络传输方法的可靠发送步骤如图2所示：
1)从网络层接收网络层数据包
***从网络层接收IP数据包，提取IP数据包中的IP负载部分；
2)IP负载数据分解
参考图4，将IP负载部分数据以字节为单位，根据字节的顺序，模除2,分为两份，即奇数字节为1份，偶数字节为1份。如果负载部分为奇数，则通过补0构成偶数字节。例如一个字节流为
C2 B7 20 4D 56 20 C2 B7 20 C2 B7 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6A 6B 6C6D 6E 6F 70 71 72 73 74 75 76 77的负载，可以分为C2 20 56 C2 20 B7 62 64 66 686A 6C 6E 70 72 74 76和B7 4D 20 B7 C2 61 63 65 67 69 6B 6D 6F 71 73 75 77两个负载。
3)计算校验值
将2份负载数据进行异或计算，获得数据的校验值，例如75 6D 76 75 E2 D6 0101 01 01 01 01 01 01 01 01 01。
4)封装新的IP数据包。
将2份负载数据和1份负载数据的校验值均添加原IP包头，并在负载尾部添加标签数据，标签数据长度1个字节，奇数负载标签为0F,偶数负载标签为F0，校验值标签为FF。
5)将负载数据和校验值提交给数据链路层
将步骤4生成的2份负载数据和1份校验值，提交给数据链路层，封装为以太网帧发送到网络中。
以IP数据包发送和接收为例，本发明的一种高可靠以太网网络传输方法的可靠接收步骤如图3所示：
1’)从数据链路层接收数据帧
***从数据链路层接收以太网帧，提取以太网帧的负载部分，一种高可靠以太网网络传输***将在定时器规定范围内接收以太网帧，如果规定定时器范围内接收到IP序列号相同的2个或以上的帧，则将帧内负载提取。
2’)将以太网负载数据重组
参考图4，将步骤1’提取的负载，根据尾部的1个字节的标识符进行区分，其中标识符为0F的为奇数负载，标识符为F0的为偶数负载，标识符为FF的为校验值。如果收到了2个负载数据，例如C2 20 56 C2 20 B7 62 64 66 68 6A 6C 6E 70 72 74 76和B7 4D 20 B7C2 61 63 65 67 69 6B 6D 6F 71 73 75 77，将数据重组为C2 B7 20 4D 56 20 C2 B7 20C2 B7 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6A 6B 6C 6D 6E 6F 70 71 72 73 74 75 76 77。如果收到了奇数组数据C2 20 56 C2 20 B7 62 64 66 68 6A 6C 6E 70 72 74 76和校验值75 6D 76 75 E2 D6 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01，先计算出偶数组数据B7 4D 20B7 C2 61 63 65 67 69 6B 6D 6F 71 73 75 77，再将数据重组。如果收到了偶数组数据和校验值，则计算出奇数组数据再进行数据重组。
3’)将数据提交给网络层
将步骤2’重组的负载数据封装元IP包头，作为IP数据包提交给网络层处理。
可以看出，本发明提出的一种高可靠网络传输方法和***，能够满足以太网环境下高可靠的网络传输的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高可靠以太网网络传输***，其特征在于，包括网络层数据处理模块，数据分解模块、校验计算模块，数据重组模块和链路层数据处理模块；
其中，在数据发送端，所述网络层数据处理模块用于从网络协议栈的网络层获取网络层的数据包；所述数据分解模块用于将所述数据包以模除2的方式分解为2份，即2份数据帧；所述校验计算模块，用于对来自数据分解模块的2份数据进行异或计算获得校验数据作为第3份数据，即1份校验帧；所述链路层数据处理模块用于将2份数据帧和1份校验帧输出给网络协议栈的数据链路层；
在数据接收端，所述链路层数据处理模块用于从数据链路层获取数据帧；所述数据重组模块用于将来自链路层数据处理模块的数据帧重组，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据，如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据，由网络层数据处理模块将还原出的网络层数据包输出给网络协议栈的网络层。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据包为IP数据包。
3.一种利用权利要求2所述***实现的高可靠以太网网络传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
在数据发送端，所述网络层数据处理模块从网络协议栈的网络层获取网络层的数据包；所述数据分解模块将所述数据包以模除2的方式分解为2份，即2份数据帧；所述校验计算模块，对来自数据分解模块的2份数据进行异或计算获得校验数据作为第3份数据，即1份校验帧；所述链路层数据处理模块将2份数据帧和1份校验帧输出给网络协议栈的数据链路层；
在数据接收端，所述链路层数据处理模块从数据链路层获取数据帧；所述数据重组模块将来自链路层数据处理模块的数据帧重组，如果收到2个数据帧，则直接将2个数据帧根据模除顺序进行重组还原数据，如果收到1个数据帧和1个校验帧，则通过该数据帧与校验帧异或还原另一个数据帧，并将两个数据帧重组还原出数据，由网络层数据处理模块将还原出的网络层数据包输出给网络协议栈的网络层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述网络层数据处理模块从网络协议栈的网络层获取IP数据包后，提取IP数据包中的IP负载部分。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述数据分解模块将所述数据包以模除2的方式分解为2份具体为：将IP负载数据以字节为单位，根据字节的顺序，模除2，分为两份，即奇数字节为1份，偶数字节为1份，如果负载部分为奇数，则通过补0构成偶数字节。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述链路层数据处理模块将2份负载数据和1份负载数据的校验值均添加原IP包头，并在负载尾部添加标签数据，得到2份负载数据和1份校验值，提交给数据链路层，其中标签数据长度1个字节，奇数负载标签为0F，偶数负载标签为F0，校验值标签为FF。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述链路层数据处理模块从数据链路层在定时器规定范围内接收以太网帧，提取以太网帧的负载部分，如果规定定时器范围内接收到IP序列号相同的2个或以上的帧，则将帧内负载提取。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据重组模块将来自链路层数据处理模块的数据帧重组时，将提取的负载，根据尾部的1个字节的标识符进行区分，其中标识符为0F的为奇数负载，标识符为F0的为偶数负载，标识符为FF的为校验值，如果收到了2个负载数据，则直接将数据重组；如果收到了奇数组数据和校验值，则先计算出偶数组数据，再将数据重组，如果收到了偶数组数据和校验值，则计算出奇数组数据再进行数据重组。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述网络层数据处理模块将重组的负载数据封装元IP包头，作为IP数据包提交给网络层。
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GR01 Patent grant
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