CN115473792A - 基于流表的双信道高可靠通信控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于流表的双信道高可靠通信控制***及方法，包括：前用户端、前端堆叠交换机、前端通信控制器、前端无线宽带电台、后端无线宽带电台、后端通信控制器、后端堆叠交换机以及后用户端；前用户端向后用户端发送数据时，前用户端与所述前端堆叠交换机连接，所述前端堆叠交换机与所述前端通信控制器连接；所述前端通信控制器与所述前端无线宽带电台连接；所述前端无线宽带电台与所述后端无线宽带电台连接；所述后端无线宽带电台与所述后端通信控制器连接，所述后端通信控制器与所述后端堆叠交换机连接，所述后端堆叠交换机与所述后用户端连接。

Description

基于流表的双信道高可靠通信控制***及方法

技术领域

本发明涉及通信***领域，具体地，涉及基于流表的双信道高可靠通信控制***及方法，更为具体地，涉及双信道高可靠通信中主备冗余链路之间的***资源调度设计。

背景技术

消息传输的高可靠性在即时通信***中尤为重要，是衡量通信***性能的重要指标之一。在航空航天、金融服务、军事安全、城市轨道交通等重要场合，即使是小概率故障，也会引发重大事故。在军事通信***中，特别是海上舰船点对点通信等重要场合下，目前通信***多采用主备服务器、双网卡、路由器堆叠、双信道备份等手段，对***中的单体设备进行冗余备份，减少***中单体设备故障引起的***问题，来实现***的高可靠传输。在海上舰船通信***中大多都采用无线通信传输，***点对点连接关系见图1，传输信道特别容易受到外界干扰，目前该***还存在以下不足：

1、链路不稳定时，***网络收敛慢：在无线传输时，当主信道被干扰，传输不稳定或者断开，传输链路要切到备用信道时，***需要根据生成树协议重新进行路径收敛，链路不稳定引起的切换速度慢，会导致网络收敛时间长，从而造成数据大量丢失。这在可靠性要求高的***中，是不能满足要求的。

2，信道切换速度慢：***在两部宽带电台的主备信道选择上，主要依靠交换机之间的生成树协议来抉择，当无线信道质量不稳定时，生成树协议BPDU数据的传输也会时通时断，主备信道会在两个宽带电台之间震荡，信道切换速度明显变慢，还会造成数据大量丢失。

3，信道带宽利用率低：目前的通信***中，所有的数据都要从主信道发送到对端。当数据量比较大，而无线信道带宽比较小的时候，会造成网络堵塞，引起一些重要数据的丢失。

数据传输的高可靠性是即时通信中最基础、最核心的指标。上述海上舰船之间通信应用的场合，目前的通信***不能满足用户需求。

专利文献CN201467138U(申请号：200920104741.9)公开了公开了一种基于动态信道估计的双模式通信控制器，它涉及通信领域中兼容流星余迹信道和Es层信道的通信控制装置。它由动态信道估计器、通信模式选择器、编码调制方式选择器、发送速率选择器、发送数据成帧器、编码调制器、解调译码器、通信模式识别器、编码调制方式识别器、发送速率识别器、接收数据解帧器等部件组成。它采用动态信道估计技术，识别出当前信道的状态，从而确定采用流星余迹通信模式通信或采用Es层通信模式；接收端识别通信模式并完成数据的接收。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于流表的双信道高可靠通信控制***及方法。

根据本发明提供的一种基于流表的双信道高可靠通信控制***，包括：前用户端、前端堆叠交换机、前端通信控制器、前端无线宽带电台、后端无线宽带电台、后端通信控制器、后端堆叠交换机以及后用户端；

前用户端向后用户端发送数据时，前用户端与所述前端堆叠交换机连接，所述前端堆叠交换机与所述前端通信控制器连接；所述前端通信控制器与所述前端无线宽带电台连接；所述前端无线宽带电台与所述后端无线宽带电台连接；所述后端无线宽带电台与所述后端通信控制器连接，所述后端通信控制器与所述后端堆叠交换机连接，所述后端堆叠交换机与所述后用户端连接。

优选地，所述前端堆叠交换机或后端堆叠交换机包括主交换机和备份交换机；

数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

优选地，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

优选地，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道。

优选地，网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

优选地，前端通信控制器中的FPGA删除前用户端收到的生成树协议BPDU包。

优选地，根据数据的优先级设置***流表，基于***流表对数据进行相应处理。

根据本发明提供的一种基于流表的双信道高可靠通信控制方法，包括：数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

优选地，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

优选地，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道；

网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、网络拓扑快速收敛：FPGA把从交换机收到的生成树协议BPDU包删除掉，不让它传到对端，这样前端和后端互为独立体，当信道在主备之间切换时，不会改变***网络拓扑，这样就不存在网络收敛慢的问题；

2、信道切换速度加快：针对无线信道不稳定的特性，本发明不再依靠生成树协议来切换信道，而是通过通信控制器发送探测包，无线电台把探测包的丢包率实时上报给FPGA，由FPGA对信道质量进行评估，实现信道的快速切换；

3、提高信道利用率：本发明按优先级把数据分为重要数据、一般数据和无用数据，根据流表相关表项进行匹配，实现数据流的精准控制。重要数据优先转发，一般数据有选择的转发，无用数据直接删掉不转发。这样合理分配了转发优先级，充分利用了信道带宽。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为目前***的点对点框图。

图2为本发明***点对点框图。

图3为通信控制器框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种基于流表的双信道高可靠通信控制***，如图2所示，包括：前用户端、前端堆叠交换机、前端通信控制器、前端无线宽带电台、后端无线宽带电台、后端通信控制器、后端堆叠交换机以及后用户端；

前用户端向后用户端发送数据时，前用户端与所述前端堆叠交换机连接，所述前端堆叠交换机与所述前端通信控制器连接；所述前端通信控制器与所述前端无线宽带电台连接；所述前端无线宽带电台与所述后端无线宽带电台连接；所述后端无线宽带电台与所述后端通信控制器连接，所述后端通信控制器与所述后端堆叠交换机连接，所述后端堆叠交换机与所述后用户端连接。

具体地，所述前端堆叠交换机或后端堆叠交换机包括主交换机和备份交换机；

数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

具体地，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；如图3所示；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

具体地，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道。

具体地，网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

具体地，前端通信控制器中的FPGA删除前用户端收到的生成树协议BPDU包。

具体地，根据数据的优先级设置***流表，基于***流表对数据进行相应处理。

根据本发明提供的一种基于流表的双信道高可靠通信控制方法，包括：数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

具体地，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

具体地，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道；

网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

实施例2

实施例2是实施例1的优选例

针对上述现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题体现在以下几点：

1、***网络能快速收敛：当主信道被干扰，传输不稳定时，通过点对点的备用信道，***网络拓扑应该能自动快速收敛。

2、加快信道切换速度：本发明在不依赖交换机之间的生成树协议的基础上，利用通信控制器的信道探测功能，可以进行自主的信道快速切换。

3、提高信道利用率：特别针对信道带宽较小的链路，通过对网络数据进行合理规划，根据数据的重要等级来制定转发策略，最大限度利用信道带宽，防止单信道堵塞造成的重要数据丢失。

本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种基于流表的双信道高可靠通信***。

根据本发明提供的一种基于流表的双信道高可靠通信控制***，功能主要由CPU和FPGA联合实现。

CPU负责端到端传输质量探测、流表参数和***配置文件的管理。转发策略由用户通过CPU制定，CPU再按照转发策略和信道质量计算出***流表，并通过通信控制器中CPU和FPGA之间的私有交互协议将流表下发给FPGA，用户在使用过程中也可根据需求随时修改转发策略。

FPGA主要根据***流表进行数据匹配和转发，同时负责外接PHY的工作模式配置，接口速率自适应设计、MAC表学习和老化、根据PHY自协商结果进行1000M、100M及10M不同速率的线速转发。

无线电台通过网口实时上报当前信道传输质量，FPGA对信道质量进行评估后，快速的完成信道切换。

网络数据支持按MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号、源数据端口、目的数据端口等选项进行流表匹配。

通过FPGA对ARP和生成树协议的BPDU包进行解析，针对报文特性进行转发和丢弃处理，既可以保证网络的连通性，又有效的避免了网络风暴，加快了***收敛时间。

把数据分为重要数据、一般数据和无用数据。它们根据流表中的相关表项进行匹配，实现数据流的精准控制。重要数据优先转发，一般数据有选择的转发，无用数据直接删掉不转发。这样合理利用了数据的优先级属性，充分利用信道带宽，对于带宽比较小的无线信道来说，优势更加明显。

本发明对现有***进行改进，采用全新的设计方案，根据流表对网络数据进行精准匹配，由FPGA负责快速转发，能解决网络环路问题，有效防止网络风暴。对数据分类，重要数据优先转发，无用数据直接删掉不传输，最大限度的利用了信道带宽，保证了***的高可靠性。

实施例3

实施例3是实施例1优选例

如图2所示，是本发明的总体***框图，由堆叠交换机、通信控制器、无线宽带电台构成。其中通信控制器作为本发明的技术承载体，前端和后端通过2路无线宽带信道进行高可靠传输。

根据图2所示，整体的工作流程：前端PC机向后端PC发送数据，前端和后端PC各有2个网卡，分别接在2个堆叠交换机上。规定网卡1，交换机SW1为主，网卡2和交换机SW2作为备份。数据流从网卡1到交换机1后，由用户1口进入前端通信控制器进行数据包解析，然后根据流表选择转发端口，从通信控制器选出的主信道即宽带电台1发送给后端电台3，数据由信道1口进入后端通信控制器进行数据包解析，然后根据流表选择转发端口，从用户1口发出，进入后端交换机3，最终交付给后端PC.

通信控制器的***框图如图3所示，主要由龙芯2K和国产化复旦微FPGA芯片XC7K325T和4个盛科PHY芯片Mars.1S构成。

通信控制器启动完成后，处理器2K根据用户指定策略，计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将流表，发送给FPGA，流表内容如表1所示。

通信控制器启动完成后，PHY芯片会与交换机和宽带电台进行速率自协商，根据协商的结果，来确定端口转发速率。通信控制器支持1000M、100M和10M线速转发。

3)通信控制器启动完成后，FPGA根据用户1和用户2接口连接状态选出主用接口，备用接口保持静默，不进行数据收发操作。这样可以防止两个用户口同时发送ARP信息，形成网络环路，进而造成网络风暴。***默认用户1为主，用户2作为备。当用户1接口异常，会自动切换到用户2上。

4)当用户口确定后，FPGA把用户口收来的生成树协议BPDU包删除掉，不让它传到对端，这样前端和后端互为独立体，当信道在主备之间切换时，不会改变***网络拓扑，这样就不存在网络收敛慢的问题。

5)本发明前端通信控制器中的龙芯2K每秒会向FPGA发送10包探测包，FPGA会向2个信道同时转发探测包。探测包经过宽带电台1和电台2分别传到后端电台3和电台4。探测包进入后端通信控制器后，后端FPGA把2路探测包删除掉。宽带电台根据探测包的丢包率，把信道质量实时上报给前端的FPGA，FPGA根据信道质量可以快速切换信道。

6)网络数据从用户口或者信道口进入通信控制器，FPGA首先都要对数据包进行解析，得到此数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号、数据端口等属性。同时对数据进行缓存，然后按照转发规则表1去匹配，根据匹配结果来确定转发端口。流表匹配项数据结构定义如下所示：

struct hbf_forward_rule

{

struct hbf_header header；

uint32_t cookie_id；//转发规则的序号，见表1

uint8_t match_src_mac[6]；

uint8_t match_dst_mac[6]；

uint32_t match_in_port；

uint32_t match_vlan_tag；

uint16_t match_eth_type；

uint8_t match_ip_proto；

uint8_t reserved；/*使能，有转发规则的位置1*/

uint32_t match_src_ip；

uint32_t match_src_ip_mask_；

uint32_t match_dst_ip；

uint32_t match_dst_ip_mask_；

uint16_t match_l4_src_port；

uint16_t match_l4_dst_port；

uint32_t action_out_port；

}

本发明把数据分为重要数据、一般数据和无用数据。它们依靠上述流表表项进行匹配区分。例如源ip 192.168.1.X网段的数据都认为是重要数据，192.168.2.X网段的数据认为是一般数据，发送目的端口25001(解析到的网络包的属性之一)的数据认为是无用数据。重要数据优先转发，一般数据正常情况下也转发，但当重要数据流量大，信道带宽不够用时，进行有选择的转发。无用数据直接删掉不转发。这种转发策略，充分利用了信道带宽，对于带宽比较小的无线信道来说，优势很明显。

表1转发规则

其中，转发端口定义如表2所示。

表2端口定义

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，包括：前用户端、前端堆叠交换机、前端通信控制器、前端无线宽带电台、后端无线宽带电台、后端通信控制器、后端堆叠交换机以及后用户端；

前用户端向后用户端发送数据时，前用户端与所述前端堆叠交换机连接，所述前端堆叠交换机与所述前端通信控制器连接；所述前端通信控制器与所述前端无线宽带电台连接；所述前端无线宽带电台与所述后端无线宽带电台连接；所述后端无线宽带电台与所述后端通信控制器连接，所述后端通信控制器与所述后端堆叠交换机连接，所述后端堆叠交换机与所述后用户端连接。

2.根据权利要求1所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，所述前端堆叠交换机或后端堆叠交换机包括主交换机和备份交换机；

数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

3.根据权利要求1所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

4.根据权利要求3所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道。

5.根据权利要求3所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

6.根据权利要求3所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，前端通信控制器中的FPGA删除前用户端收到的生成树协议BPDU包。

7.根据权利要求2所述的基于流表的双信道高可靠通信控制***，其特征在于，根据数据的优先级设置***流表，基于***流表对数据进行相应处理。

8.一种基于流表的双信道高可靠通信控制方法，其特征在于，包括：数据流从前用户端通过前端堆叠交换机的主交换机或备份交换机进入前端通信控制器进行数据包解析，根据流表选择主信道或备份信道发送数据流进入后端通信控制器进行数据包解析，后端通信控制器根据流表选择后端堆叠交换机的主交换机或备份交换机转发数据流至后用户端。

9.根据权利要求8所述的基于流表的双信道高可靠通信控制方法，其特征在于，所述通信控制器包括处理器、FPGA以及PHY；

所述处理器根据用户指定策略计算***流表，同时向FPGA发送Hello包，收到FPGA应答后将***流表发送至FPGA；

所述FPGA根据***流表转发数据流；

所述PHY芯片与交换机和无线宽带电台进行速率自协商，根据协商结果确定端口转发速率。

10.根据权利要求9所述的基于流表的双信道高可靠通信控制方法，其特征在于，前端通信控制器中的处理器向FPGA发送探测包，FPGA向主信道和备份信道同时转发探测包；探测包进入后端通信控制器后，后端通信控制器中的FPGA将探测包删除；无线带宽电台根据探测包的丢包率得到信道质量，并将信道质量实时上报至前端通信控制器中的FPGA，前端通信控制器中的FPGA根据信道质量快速切换信道；

网络数据从前端PC机或者信道口进入通信控制器，通信控制器中的FPGA对网络数据进行解析，得到网络数据的源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、源IP地址、目的IP地址、IP协议号以及数据端口属性，同时对网络数据进行缓存，根据***流表进行匹配，根据匹配结果选择转发端口。

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