CN100550715C - 在以太网上支持同步数字系列/同步光纤网自动保护交换的方法 - Google Patents

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Abstract

提供以太网MAC APS控制子层(301)，用于支持以太网网络中的SDH/SONET APS标准功能性。根据一个实施例，提供以太网MACAPS控制子层(301)，用于处理以太网MAC APS控制帧。MAC APS控制子层(301)提供对MAC客户端APS控制器(305)的支持，以便实现全部的SDH/SONET APS标准功能性。MAC APS控制帧提供对以太网网络上的SDH/SONET K1/K2APS信令协议的支持。近端APS控制器可在切换和其它APS操作请求期间使用MAC APS控制帧与远端APS控制器通信。远端APS控制器又可使用MAC APS控制帧为了切换和其它APS操作请求与近端APS控制器通信。

Description

在以太网上支持同步数字系列/同步光纤网自动保护交换的方法
相关申请
本申请要求对于2001年9月4日提交的共同未决的美国临时申请No.60/317035的关于两个申请共同的所有主题的优先权。所述临时申请的公开通过引用完整地结合于本文中。
发明领域
一般来讲，本发明涉及网络交换体系结构，更具体地说，涉及支持以太网网络中的SDH/SONET自动保护交换(APS)功能性。
发明背景
SDH/SONET(同步数字系列/同步光纤网)标准最初是为用于语音网络而开发的。SDH是与北美开发的SONET标准基本相同的欧洲版标准。SDH/SONET包含面向连接的同步TDM电路交换技术。SDH/SONET配置的网络在相同的时钟域上运行(例如，每段网络可以被追溯到主时钟参考)。网络为各电路分配固定的带宽时隙。SDH/SONET体系结构是基于连接的协议，因为交换机中的端口之间存在物理电路配置以建立端到端的路径。经SDH/SONET网络传播的信号中的数字转变以相同速率出现，但是，在任何两个信号的转变之间可能存在由传输系统中的时延或抖动引起的相差。
以太网主要是作为数据网来开发的。与SDH/SONET相比，以太网是无连接的异步的带碰撞检测的载波检测多址(CSMA/CD)分组交换技术。以太网体系结构不依靠类似于SDH/SONET体系结构的单一时钟域。以太网体系结构通过网络发送一系列包含数据的分组。每当需要发送分组时，发射器将尝试发送分组。以太网体系结构也是无连接的，因为分组在网络内从一个节点传播到另一个节点，而没有建立逻辑或物理电路。端到端的路径通过一种称作“桥接”的过程来发现。以太网从根本上讲是局域网(LAN)技术。
SDH/SONET网络提供可靠的有保证的可用带宽、低抖动的连接。对于语音质量网络，要求这些特性。但是，SDH/SONET带宽效率低，并且具有高于其它许多网络体系结构的开销。相反，以太网网络提供较低可靠性的最佳努力传送以及低成本带宽连接。这些特性适合于数据质量网络。以太网具有无保证的传输和低开销，并支持少于SDH/SONET的操作功能。在SDH/SONET中，一旦建立了电路，则为一种应用分配带宽，而该带宽无法被任何其它应用所使用，即使原应用现在并未使用该带宽。在以太网中，应用仅当它们需要带宽传送分组时才使用该带宽。
在SDH/SONET网络中，自动保护交换(APS)功能性是已知的。SDH/SONET标准对APS控制器的定义为“节点的组成部分，它负责产生和端接APS协议中传送的信息并实现APS算法”。SDH/SONET标准还定义APS信令协议和APS(K1/K2)字节。SDH/SONET标准还定义用于线性、环形和网状保护的各种算法。SDH/SONET APS功能性可支持50ms切换、单向和双向切换、可逆和不可逆切换、手动或自动切换。SDH/SONET APS功能性还可支持线性、环形和网状拓扑以及线路和路径保护。APS特征在电路出故障的情况下能够进行电路切换，并且常常用于光网络系统。一般来讲，APS特征把网络组织成“工作”接口和“保护”接口的集合。当工作接口出故障时，保护接口立即承担工作接口业务负荷。在APS中，存在工作端口/链路和保护端口/链路。在网络系统初始化和完全起作用之后，工作端口/链路是活动的，而保护端口/链路保持备用模式。如果在工作中出现设备故障，则保护端口/链路变成活动端口/链路，接管出故障的工作端口/链路，也就是说，保护端口/链路成为新的工作端口/链路。在已知的APS系统下，在切换期间会存在最小业务中断，大约小于50ms。
在语音网络中，SDH/SONET APS标准功能性为环形、线性或网状拓扑从设备出故障起50ms以内提供用于保护的体系结构。为了让数据网能够支持语音业务，网络必须能够在恢复时间以及与不同网络拓扑配合工作、即支持环形和线性拓扑两个方面提供相同的保护等级。以太网是最普遍的数据网数据链路层协议。没有以太网标准提供APS功能性。
在以太网网络中，若干标准和专有技术支持链路故障。跨接树协议(STP)IEEE 802.1D标准提供拓扑变化。STP通过发送和收听配置消息和若干计时器来计算和维护拓扑。每当“问候计时器”超时，就发出这些配置消息。这通常设置为2秒。这意味着STP不能支持链路APSSDH/SONET标准所要求的50ms恢复。随着STP域中节点数量增大，STP会聚也显著地变慢。可能要花数分钟进行会聚。由于轮询，因而STP还耗用一些带宽。STP主要是为环路分辨率设计的，最初的假定是拓扑变化不常发生。STP不太注重从故障中快速恢复。在数据网中，快速恢复往往不作要求。
链路集合(LA)IEEE 802.3ad标准设计成支持集合链路。链路集合特征之一是支持集合链路中物理链路故障之一的可能性。链路集合控制协议(LACP)定义为“在协作系统中自动配置和维护集合”。这些消息定期发出。通常，这个周期对于快速率是每秒，对于慢速率是每30秒。这意味着链路集合也不支持50ms恢复。在标准正式化之前，存在链路集合的若干专有实现，最著名的是Cisco Systems开发的FastEtherChannel产品。
最近，已经发展了若干专有技术来实现载波网络的50ms第二恢复要求。这些技术可以分为两大类：基于以太网和新的基于非以太网。在基于以太网的系统中，大部分技术采用基于20ms的“心跳”或“问候”协议，与上层软件一起轮询检测链路故障以便在50ms内恢复。Atrica的Atrica弹性以太网访问(AREA)框架技术是它的一个示例。Occam网络以太网保护交换(EPS)技术也是一个示例。因特网光子学采用以太网中的帧间间隙来支持类似的功能性。
还有其它正在进行的以太网工作，也在尝试解决快速恢复问题。快速跨接树协议(RSTP)IEEE委员会正在进行对STP的修改工作，但目前，存在1秒有保证会聚/恢复而不是50ms的要求。以太网第一英里IEEE委员会也在进行修改以太网以支持50ms恢复的工作。
正在定义的基于非以太网的技术包括Metro以太网论坛，它采用多协议标记交换(MPLS)来支持保护。弹性分组环(RPR)技术正在由RPR联盟定义。RPR是一种新的协议，它与以太网协议不兼容，但设计用于支持环网中的50ms恢复。
大部分上述技术解决了以太网的有限功能性。它们通常支持线性或环网环境中的50ms保护，但不同时支持两者。另外，它们仅限于链路故障。它们仅针对SDH/SONET APS标准所定义的功能的子集。
发明概述
本领域中需要如SDH/SONET APS标准所定义的以太网中的APS功能性。本发明针对满足这种需求的其它解决方案。
根据本发明的一个示例实施例，用于支持MAC自动保护交换(APS)功能性的媒体接入控制(MAC)硬件具有MAC APS控制子层和多个MAC子层。
根据本发明的示例方面，多个MAC子层还包括链路集合子层。多个MAC子层还可包括至少一个MAC控制子层。MAC APS控制子层可位于MAC内。MAC控制层能够处理控制帧中的可选VLAN标记。MAC APS控制子层可在MAC硬件中实现。MAC APS控制子层支持链路集合子层所形成的逻辑链路的APS。MAC APS控制子层支持物理链路的APS。MAC APS控制子层支持网络层路径的APS。MAC子层能够在以太网交换装置和以太网MAC装置其中至少一个中实现。MAC APS控制子层处理以太网MAC控制APS帧。MAC APS控制子层维护以太网MAC控制APS状态。
根据本发明的另一个方面，MAC APS控制层在检测到APS帧时产生中断以调用MAC客户端APS控制器。MAC APS控制子层在检测到APS状态变化时产生中断以调用MAC客户端APS控制器。MACAPS控制子层与以太网MAC客户端APS控制器交互作用。
根据本发明的另一个方面，以太网PHY硬件装置包括至少一个物理子层。至少一个物理子层之一在检测到端口/链路故障时产生中断以调用MAC客户端APS控制器。
根据本发明的另一个方面，用于支持SDH/SONET APS信令协议的以太网MAC APS控制帧包括标准以太网帧前置码字段。控制帧的其它元素包括标准以太网帧开始定界符字段、标准以太网目标MAC地址字段、标准以太网源MAC地址字段、可选标准以太网VLAN标记字段、标准以太网类型字段、标准以太网MAC控制操作码字段、操作码特定的多个标准以太网MAC控制参数以及标准以太网帧校验序列字段。
根据本发明的另一个方面，以太网MAC控制操作码还包括区别逻辑链路故障、物理链路故障和路径故障的能力。另外，多个以太网MAC控制参数还包括含有SDH/SONET K1字节的K1字字段、含有SDH/SONET K2字节的K2字字段、端口标识(ID)字段、时隙ID字段、机架ID字段、桥ID字段、节点ID/IP字段以及包含零个或更多的零值八位字节的保留字段。
根据本发明的又一个方面，以太网MAC客户端包括至少一个MAC客户端。MAC客户端包括网络层协议和交换机的转发功能其中至少一个。MAC客户端还可包括至少一个MAC控制客户端APS控制器。
根据本发明的另一个方面，在MAC硬件和PHY硬件上提供APS功能性的方法包括在近端网络节点上沿第一链路检测故障。物理层在检测到端口/链路故障时产生中断以调用MAC客户端APS控制器。向第二链路进行切换以纠正故障。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。
根据本发明的另一个方面，在MAC硬件上提供APS功能性的方法包括近端MAC APS控制子层接收包含来自MAC APS控制帧缓冲器的APS请求的MAC APS控制帧。近端MAC APS控制子层更新MACAPS状态硬件寄存器以反映APS请求的接收。MAC APS硬件为所接收的MAC APS控制帧提供可屏蔽中断。近端MAC APS控制子层产生中断以调用APS控制器。APS控制器处理APS请求。APS请求可包括采用APS K1/K2信令协议的切换请求和APS管理请求其中至少一个。手动和自动切换APS请求其中至少一个是可行的。该方法还可包括区别逻辑故障、物理故障和路径故障。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。
根据本发明的另一个方面，在MAC硬件装置上提供APS功能性的方法包括近端MAC APS控制子层接收要传送的APS控制器请求。MAC APS控制子层采用所请求的控制参数创建APS控制帧。近端MAC APS控制子层发送MAG APS控制帧。APS控制器请求可包括采用APS K1/K2信令协议的切换请求和APS管理请求其中至少一个。APS控制器请求还可包括手动和自动切换APS请求其中至少一个。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。
根据本发明的另一个方面，在以太网协议网络中提供APS功能性的方法包括沿第一端口/链路遇到故障。产生中断。中断被转发到APS控制器。APS控制器发起从第一端口/链路向第二端口/链路的切换。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。
根据本发明的另一个方面，在以太网协议网络中提供APS功能性的方法包括接收具有APS请求的APS控制帧。处理APS控制帧APS请求。产生中断。中断转发到APS控制器，APS控制器处理所接收的APS请求。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。另外，该方法可采用SDH/SONET APS信令协议的SDH/SONET K1/K2字节提供对用于以太网协议网络的线性、环形和网状拓扑的标准SDH/SONETAPS功能性的支持。
根据本发明的另一个方面，在以太网协议网络中提供APS功能性的方法包括接收来自APS控制器客户端的APS请求。采用APS请求创建APS控制帧。发送APS控制帧。该方法可在50ms内执行以提供恢复功能性。该方法还可采用SDH/SONET APS信令协议的SDH/SONET K1/K2字节提供对用于以太网协议网络的线性、环形和网状拓扑的标准SDH/SONET APS功能性的支持。
本发明提供一种MAC硬件装置，用于支持MAC自动保护交换功能性，包括：MAC自动保护交换控制子层，用于处理自动保护交换帧和维护自动保护交换状态；以及多个MAC子层，用于执行MAC操作。
本发明提供一种以太网PHY硬件装置，包括：至少一个物理子层，其中所述至少一个物理子层之一在检测到端口/链路故障时产生中断以调用MAC客户端自动保护交换控制器。
附图简介
参照以下描述和附图，将会更好地理解本发明的上述特征和优点、其它特征和方面，附图中：
图1A和1B说明根据本发明的一个方面、利用APS的路径的切换；
图2是根据本发明的一个实施例的以太网MAC APS控制体系结构的图示；
图3是根据本发明的一个方面的以太网MAC APS控制子层内部体系结构的图示；
图4是根据本发明的一个方面的以太网MAC APS控制帧格式的图示；
图5是根据本发明的一个实施例的以太网MAC APS操作的图示；以及
图6是根据本发明的一个实施例的以太网MAC APS控制流程的图示。
详细说明
本发明的说明性实施例涉及以太网体系结构内标准SDH/SONETAPS功能性的实现。为了在以太网体系结构中支持SDH/SONET APS功能性，本发明扩展以太网MAC控制子层。以太网MAC控制子层是数据链路层(第2层，本文中稍后说明)的子层。MAC控制子层驻留在MAC(媒体接入控制，它是用于协商对共享或专用通信信道的接入的实体或算法)和该MAC的客户端(其中客户端通常是由网桥或交换机所实现的网络层协议或中继功能)之间。MAC的客户端可使用MAC控制子层来控制以太网MAC的操作。MAC控制子层的实现在以太网标准下是可选的。
本发明的一些方面包括以太网MAC APS控制协议，它可用于支持以太网MAC APS。以太网MAC APS控制协议扩展MAC控制子层，以便利用以太网MAC多播或单播地址以及扩展MAC控制操作码来支持APS功能。MAC APS功能在全双工以太网链路上实现SDH/SONETAPS。MAC APS帧包含SDH/SONET APS标准所描述的K1/K2字节。MAC APS还以与已知的SDH/SONET APS相同的方式工作。APS控制器可以是以太网MAC APS控制子层的客户端。APS控制器使用根据本发明的一些方面提供的以太网MAC APS基础设施来实现标准APS功能性。
在图1至6中，类似的部分全部由类似的参考标号来表示，这些附图说明根据本发明、用于在以太网环境中实现SDH/SONET APS的方法的示例实施例。虽然将参照附图所示的示例实施例来描述本发明，但应当理解，许多替代形式也能够实施本发明。本领域的技术人员另外还会理解改变所公开的实施例的参数的不同方式，例如要素或物质的大小、形状或类型，但其方式仍然与本发明的精神和范围一致。
为了理解本文所述的说明性实施例的操作，理解开放式系统互连(OSI)网络分层结构是有帮助的，该网络分层结构把网络看作由若干分层组成。在分层结构中，第1层是物理层，包含执行网络内信号传输的要素。第2层是数据链路层，提供允许在第1层的基础物理信道上在装置之间直接通信的业务。第3层是网络层，负责多个数据链路上站到站的数据传递。网络层负责网络上的分组的路由选择。第4层是传输层，提供无差错的有序的有保证传递的消息业务，该业务允许网络上站之间的过程到过程通信。第5层是会话层，处理应用之间通信的建立。该层对安全应用有用。第6层是表示层，实现采用不同本机数据表示方法的连网系统之间的数据共享。最后，第7层为应用层。该层提供一般应用功能，例如电子邮件、文件传输功能等等。
在SDH/SONET中，APS提供物理层(即第1层)上的节点之间的端口/线路保护。几种拓扑能够支持APS(即环形、线性或网状拓扑)，而且若干保护等级是可能的(即1+1、N+1和N:1)。为了进行以下描述，采用节点之间的1+1 APS配置来说明APS。N+1和N:1 APS配置可由相同的体系结构来支持。APS“1+1”体系结构一般安排两条线路或路径，其中信息传播同时顺着每条线路或路径进行。连接可以是双向或单向的。另外，“1+1”体系结构提供与各工作接口或电路配对的保护接口或电路。保护和工作电路常常与向工作和保护电路发送相同业务负荷的增/减复用器连接。
在保护电路中，表示APS连接的当前状态的信息通过电路连续传播，并传达任何动作请求。此信息可用于使工作电路和保护电路同步。
本发明可支持线性和环形保护、环形和网状拓扑，并提供物理链路、逻辑链路和路径保护。但是，为了清楚地描述本发明，本文所包含的描述采用线性APS配置。本领域的技术人员会知道，环形和网状拓扑保护也可根据本发明的一些方面来实现。通过提供适当的源和目标以太网MAC地址，本发明的体系结构也可支持路径级保护。
图1A和1B说明两个节点之间的APS配置。有两个网元或节点，第一节点102和第二节点103。第一节点102具有沿第一链路104延伸的第一光纤对，第二节点103具有沿第二链路105延伸的第二光纤对。第一链路104和第二链路105分别在第一APS端口对110和第二APS端口对112上连接第一节点102和第二节点103。在各节点102和103内部，在节点102、103的入口端口和出口端口之间存在连接106、107、108和109。实线箭头表示活动业务，而虚线箭头表示备用业务。为简洁起见，图1A和1B仅表示出朝一个方向流动的业务。在双向体系结构的情况下，另一个方向具有与所示箭头相反方向的相同业务模式。图1A和1B说明APS业务之前和之后的状态(即：线路中断之前以及在光纤断点111上切断光纤之后，导致线路中断)。
在APS中，如图1A和1B所示，一条链路(104或105)由另一条链路(104或105)保护，预期并解决各种故障。这些故障可包括诸如节点故障、卡故障和端口故障之类的设备故障或者诸如电缆/光纤切断之类的链路故障。这些差错一般称作硬故障。称作软故障的第二类差错包括在链路上出现明显误码率时的情况。
第一链路104支持在第一节点102和第二节点103之间延伸的工作端口/链路。第二链路105支持也在第一节点102和第二节点103之间延伸的保护端口/链路。确定哪条链路104或105作为工作端口/链路还是作为保护端口/链路来工作取决于节点102和103上的APS控制器的状态。在图1A中，第一链路104是活动工作端口/链路。数据帧传送到第一工作连接106和第一保护连接107。帧的传送称作桥接。数据帧沿第一链路104的工作端口/链路和第二链路105的保护端口/链路传播。然后，数据帧通过第二节点103沿活动的第二工作连接108转移，但不通过备用的第二保护连接109传播。选择器可选择哪条路径用于接收帧。桥接和选择器可采用支持双播的硬件来实现，例如用于电接口的Y连接器、用于电或光接口的2×2交叉连接转换芯片。也可使用串行总线体系结构。
当例如因图1B的光纤断点111而在沿第一链路104的工作端口/链路上出现故障时，第二节点103中的接收器(未标出)检测硬件中的链路故障，并为MAC APS客户端产生中断，MAC APS客户端又发起向第二链路105的保护端口/链路的切换。第二工作连接108进入备用状态，以及第二保护连接109变为活动的。然后，通过沿第二链路105的保护端口/链路从第一保护连接107到第二节点103的第二保护连接109的传播，数据帧在第一节点102和第二节点103之间能够连续。
图2说明以太网MAC APS控制体系结构。MAC客户端或高层201可以是例如网络层协议、如IP或者是交换机的转发功能。在所述实施例中，MAC客户端201还实现APS控制器功能性。MAC客户端201中的APS控制器管理APS的状态，并对各种差错或命令作出反应而进行切换。
MAC APS控制子层202支持链路集合子层203所形成的逻辑链路的APS。链路集合子层203允许多个物理链路集合为一个集合链路。集合链路是逻辑链路的一种形式。另外，MAC APS控制子层204A、204B和204C支持物理链路的APS。标准MAC控制子层205A、205B和205C支持所有当前定义的MAC控制帧、例如PAUSE帧，它防止交换机因输入缓冲器过载而不必要地丢弃数据帧。所有MAC控制子层205A、205B和205C是可选的。标准MAC子层206A、206B和206C控制对媒体的访问。标准PHY子层207A、207B和207C实现传输媒体的物理层信号。
为了让SDH/SONET APS支持双向切换、预占和几个其它APS特征，SDH/SONET APS要求对APS K1/K2信令协议的支持。K1/K2信令协议涉及用于SDH/SONET信令中的实际字节。更具体地说，SDH/SONET体系结构中的K1字节和K2字节用于双向自动保护交换的线路端接实体之间的保护信令，以及用于检测告警指示信号(AIS-L)和远程检测指示信号(RDI)。
MAC控制子层通过使以太网能够支持K1/K2信令协议来扩展为提供APS功能性。MAC控制子层还扩展为提供对MAC控制帧的VLAN标记的可选支持。本发明的一些方面引入以太网MAC APS控制子层202、204A、204B和204C，如图2所示。以太网MAC APS控制子层202、204A、204B和204C包括以太网MAC控制APS帧，其中包含根据已知的SDH/SONET标准中的K1/K2字节的定义的K1/K2字节。MAC APS子层202能够支持链路集合子层203(逻辑网络接口层)和/或物理网络接口层204A、204B和204C上的MAC APS。应当指出，相同的物理硬件可用于处理MAC APS子层202、204A、204B和203C的APS信令协议。
以太网中的APS能够在组帧过程中通过修改组帧或利用APS信令协议的帧间间隙在物理层(第1层)上像SDH/SONET一样来实现，或者可以在以太网MAC控制子层像本领域已知的PAUSE功能或链路集合功能来实现。修改以太网组帧以实现APS不会向后兼容，并且难以在最终用户和行业中标准化。另外，修改以太网组帧只是部分解决方案，因为以太网帧仅在有数据要发送时才被传送。如果没有要发送的数据，则没有以太网帧来传送APS信号。相反，在SDH/SONET中，帧是连续产生的(数据或空闲)。因此，在以太网MAC控制子层上实现APS允许ASP信令以自然的以太网方式成为事件和分组驱动的。
图3说明以太网MAC APS控制子层内部体系结构。同样，MAC客户端或高层306可以是网络层协议、如IP或者是交换机的转发功能。在所述实施例中，MAC客户端306还实现MAC APS控制器305功能性。MAC APS控制器305管理APS的状态，并对各种差错或命令作出反应而进行切换。
MAC APS控制子层301支持链路集合子层304所形成的逻辑链路的APS。链路集合子层304允许许多物理链路集合为一个逻辑链路。MAC APS控制子层302A、302B和302C支持物理链路的APS。标准MAC控制子层307A、307B和307C支持所有当前定义的MAC控制帧、例如PAUSE帧。所有MAC控制子层都是可选的。标准MAC子层308A、308B和308C控制对媒体的访问。标准PHY子层303A、303B和303C实现传输媒体的物理层信号。
MAC APS控制子层301包括MAC APS控制操作301A，它根据从MAC APS控制帧缓冲器301B接收的MAC APS控制帧来管理MACAPS状态301C。MAC APS控制操作301A还在APS K1/K2状态有变化时产生沿线路314的中断。MAC APS控制器305可访问MAC APS状态301C。MAC APS状态301C包含各种中断状态寄存器、K1/K2字节状态寄存器、所接收的APS操作码和其它APS相关信息。MACAPS控制器305还可发送来自MAC APS控制帧缓冲器301D并且由MAC APS控制器305通过在MAC APS状态301C中设置寄存器所建立的MAC APS控制帧。
如图3所示，以太网MAC体系结构经过修改以支持MAC APS控制子层301、302A、302B和302C。以太网MAC体系结构支持MACAPS控制帧缓冲器301B和301D的MAC APS控制操作301A中的APS处理，维护MAC APS状态301C，以及在已经接收到MAC APS控制帧时和/或在MAC APS状态301C上已经存在APS状态变化的情况下产生沿中断线路314的中断。
以太网硬件支持来自物理层303A、303B和303C、由端口故障或链路故障产生的硬故障所导致的中断。同样，以太网硬件可扩展为支持软故障，如大于预定配置阈值的差错率。以太网硬件在MAC APS状态301C为高层和MAC APS控制器305提供附加寄存器，以便经由访问线路313访问APS的当前状态，例如K1/K2字节等等。
专用MAC APS控制帧缓冲器301B和301D分别接收和发送MACAPS控制帧。MAC APS控制帧缓冲器301B和301D的存在防止控制帧的队列头阻塞，使得链路切换能够根据SDH/SONET标准在50ms内发生。以太网硬件还能够为MAC APS状态301C中的APS功能性提供独立的控制和可屏蔽状态寄存器。来自MAC APS控制帧缓冲器301D的MAC APS控制帧(发送)能够由MAC APS控制器305利用硬件路径312来访问。访问可以作为寄存器来实现或者经由对MAC APS控制帧缓冲器301D的直接访问来实现。所接收的数据帧沿客户端帧接收路径310直接传递到MAC客户端306。MAC客户端306发送数据帧路径311直接向MAC硬件发送MAC客户端306数据帧。
如图3所示的MAC APS控制子层能够设置在链路集合子层304之下，以便保护MAC APS控制子层302A、302B和302C的各个物理链路。或者，MAC APS控制子层可设置在链路集合子层304之上，以便保护逻辑链路。相同的体系结构支持两种情况。不同的MAC控制操作码用于区别不同情况中的每种情况。
在近端节点(靠近传输源的节点)上本地检测到故障时，以太网PHY层303A、303B和303C沿中断线路314产生中断，从而调用MACAPS控制器305并又导致切换。
在远端节点(靠近传输目标的节点)远程检测到故障并请求切换时，它从MAC APS控制帧缓冲器301D发送MAC APS控制帧，其中带有K1/K2字节所需的适当APS命令和信息。在近端节点接收到MACAPS控制帧时，近端MAC控制子层301A、302A从MAC APS控制帧缓冲器301B接收MAC APS控制帧，并更新MAC APS状态301C上的MAC APS硬件状态/寄存器以反映新的请求。如果在MAC APS状态301C上的MAC APS状态字节中存在变化，则该硬件为所接收的MAC APS控制帧提供可屏蔽中断。当这种中断发生时，它再次调用MAC APS控制器305来执行APS切换。
在发送方向上，能够实现硬件，使得在MAC APS状态301C上存在K1/K2寄存器，并且当APS控制器305需要发送MAC APS控制帧时，它经由控制寄存器的硬件路径312写入MAC APS控制帧缓冲器301D。
有若干实施例用于在MAC层中实现本发明的一些方面。为了区分任一情况中存在哪种MAC APS环境，逻辑的还是物理的，进行以下几个过程之一。一种实现是采用MAC控制帧、多播目标地址01-80-C2-00-00-03、类型0x8808和物理APS、逻辑APS帧以及路径APS帧的三个操作码。第二种实现可以利用不同的帧类型来取代操作码。或者，一个实施例可把MAC APS作为慢协议的一个类来实现，如以太网标准所定义的，在协议的一个类中，它们在每个时间周期从不发出超过指定最大数量的帧。另一个实施例包括采用厂商相关的多播目标地址的实现。本领域的技术人员应当知道，也可使用上述实施例的不同组合以及没有指明的其它实施例。以下描述的一个示例实施例说明具有第一选项的本发明的实现。
图4说明示例以太网MAC APS控制帧400的格式。所有以太网帧以各包含值0x55的七字节的前置码401开始。帧开始定界符(SFD)402包含值0xD5。目标地址403包含为MAC APS操作保留的唯一多播地址：01-80-C2-00-00-03。这将要求向802标准委员会登记。目标地址403还可以是目标端口的单播MAC地址。目标端口将通过外部机制、如系统软件来配置。目标地址403需要六个字节。同样需要六个字节的源地址404包含发送MAC APS帧的源接口的单播地址。VLAN标记字段410是可选的，在字段的前两个字节中包含标准VLAN协议ID 0x8100，并且后两个字节包含VLAN标识符、优先级和标记控制信息位。这些由802.1Q/1p标准来定义。类型字段405包含用于所有MAC控制帧的保留值0x8808，并且需要两个字节。用于MAC APS物理链路级的MAC APS控制操作码406为0x0002。用于MAC APS逻辑链路级的MAC APS控制操作码406为0x0003。用于MAC APS路径级的MAC APS控制操作码406为0x0004。这将要求向802标准委员会登记。在所有情况下，MAC APS控制操作码406都需要两个字节。MAC APS控制参数字段407采用两个参数，它们称作K1字407A和K2字407B。这些都是4字节无符号整数值，包含标准SDH/SONET APS的K1和K2字节。字长度的使用允许K1字节的增长，并且允许K2字节中超过16个站ID。在MAC APS控制参数中，存在用于端口ID 407C、时隙ID 407D、机架ID 407E、桥ID 407F和节点ID/IP 407G的其它可选字段。这些字段可用于路径APS保护情况中的故障隔离，并需要图中所示的字节。外部软件可使用这些字段来产生告警或报告出现故障的状态。保留字段408为将来扩展而保存，并全部设为零。帧校验序列(FCS)字段409是对于包括从目标地址403直至保留字段408结尾在内的帧的内容所计算的校验和。
图5说明以太网MAC APS操作的一个示例实现。MAC客户端或高层501可以是网络层协议、如IP或者是交换机的转发功能。在所述实施例中，MAC客户端501还实现MAC APS控制器501A功能性。MAC APS控制器501A管理APS的状态，并对各种差错或命令作出反应而进行切换。MAC APS控制子层503和514支持链路集合子层504和515所形成的逻辑链路的APS。链路集合子层504和515允许许多物理链路集合为一个逻辑链路。MAC APS控制子层505、509、516和520支持物理链路的MAC APS。下一层中是标准MAC控制子层506、510、517和521，它支持所有当前定义的MAC APS控制帧、如PAUSE帧。所有MAC控制子层都是可选的。在MAC控制子层之后是控制对媒体的访问的标准MAC子层507、511、518和522。随后是标准PHY子层508、512、519和523，实现传输媒体的物理层信号。
逻辑级工作链路502发送502A和接收502B表示为代表活动业务的箭头线。逻辑级保护链路513发送513A表示为活动的，接收513B表示为备用模式。同样，各物理链路表示为物理工作链路523和525、相应的活动发送链路523A和525A、相应的活动接收链路523B和525B。还表示了物理保护链路524和526，以及相应的活动发送链路524A和526A、相应的备用接收链路524B和526B。
APS操作如图5所示，其中表示逻辑(链路集合)APS链路作为工作链路502和保护链路513的情况。图5还表示物理APS链路作为工作链路523和525、保护链路524和526的情况。APS控制器501A按照相同的状态机，并实现与所参照的SDH/SONET标准中标准化的相同的命令。
APS操作控制流如图6所示，同时参照图4和图5来描述本发明的操作。首先确定是否检测到故障(步骤610)。如果没有检测到故障，则不采取任何动作(步骤612)。如果检测到本地故障、如工作链路523上的链路故障或超过阈值的误码，则以太网MAC 507或PHY 508层为MAC APS控制器501A产生中断(步骤620)。随后调用MAC APS控制器501A(步骤630)。MAC APS控制器501A使所有出故障的物理链路从工作链路523切换到保护524链路(步骤640)。可以对于与逻辑工作链路502关联的所有物理链路进行这个步骤。再次确定是否仍然存在故障(步骤650)。如果没有再出故障，则不采取进一步动作(步骤652)。如果逻辑链路继续接收到差错，则MAC APS控制器能够使逻辑链路从逻辑工作链路502切换到逻辑保护链路513(步骤660)。
当远程或远端节点想请求切换时，它发送具有K1/K2字节中适当APS命令的以太网MAC APS帧(步骤642、662和682)。当近端节点接收帧时，执行适当的切换。如果操作码为0x0002，则物理链路切换(执行步骤640)。如果操作码为0x0003，则逻辑链路切换(执行步骤660)。如果操作码为0x0004，则路径切换(执行步骤680)。
上述功能性允许如SDH/SONET标准所定义的环形拓扑中的路径级保护。为了支持网状拓扑中的路径级APS，该方法可按照以下方式继续进行。
利用目标地址403的端点的单播MAC地址和图4的操作码字段406中的路径级APS操作码0x0003，可支持路径级APS。单播MAC地址可以是工作或保护端口的，或者是受APS保护的端口的。当配置了APS路径时，外部软件则提供到APS控制器的路径。信息也可以存储在MAC APS状态寄存器中，并用于创建路径APS控制帧。在路径级APS支持的示例情况中，APS帧被发送到电路的两个端点，其中MAC硬件通过MAC APS控制帧中所指定的路径APS操作码来接收该帧。为了出现这种情况，高层应用可能已经使到端点的路径被学习，并且在删除APS路径配置之前未老化。或者，高层应用可继续依靠学习，但学习可能无法实现低于50ms恢复时间。为了向APS帧400提供优先级，VLAN字段410可以设置适当的优先级。
继续图6所示的方法，再次确定是否仍然存在故障(步骤670)。如果不存在故障，则不采取任何动作(步骤672)。如果确实存在故障，则APS帧400经过一般APS控制机制，调用MAC APS控制器501A，它检测这是作为路径级请求来接收的(步骤682)，并执行路径级切换(步骤680)。然后，MAC APS控制器501A调用高层应用，它更新其路径状态和附加的后切换处理。后切换处理可包括用于搜索其它保护路径或其它功能性的配置。
应当指出，如果VLAN标记410用于路径级保护，则通过定义，沿该路径的所有站/节点需要知道VLAN。或者，边缘站/节点可剥离VLAN标记。配置必须表明这是VLAN边缘站/节点。
APS帧400还可构造成包括更多信息、如端口ID407C、时隙ID407D、桥ID407F和节点ID/IP 407G。这些可用于故障隔离。
为了增加反应速度，可以有两个MAC APS控制帧缓冲器，一个用于链路级保护，一个用于路径级保护。由于这两个MAC APS控制帧可以明显不同，因此它们不应当在故障时刻建立。逻辑和物理链路帧极为相似，因此在逻辑和物理链路帧之间可能不需要附加帧缓冲器。实现的折衷平衡费用和效率。
在全部三个保护(即物理级保护、链路级保护和路径级保护)均处于工作中的情况下，物理链路保护首先作出反应(执行步骤640)。如果故障持续(如步骤650所确定)，则逻辑链路保护作出反应(执行步骤660)。如果故障持续(如步骤670所确定)，则触发路径级保护，并且终端站执行路径级保护切换(执行步骤680)。如果以后的确定发现再没有故障，则不采取进一步动作(步骤692)。但是，如果仍然检测到故障，则由外部软件对电路故障产生告警(步骤695)，并结束涉及本发明的操作方法。
本发明提供若干优点。因为它不改变以太网组帧，因此向后兼容并符合以太网标准。由于它修改可选的以太网MAC控制子层，因此厂商能够选择是否实现本发明的功能性。本发明一流的设计和配置使得较易于在MAC硬件中实现。本发明的方法是事件驱动的，因此仅在需要时才发送APS帧。因此，本发明的设备维持低开销并占用极少带宽。由于它再用标准SDH/SONET APS定义和过程，因此本发明的实现完全符合SDH/SONET标准协议。由于它支持预配置帧以及不是队列头阻塞，因此本发明能够实现为支持50ms或50ms以内的切换。另外，本发明利用标准SDH/SONET APS定义和过程，因此能够支持线性、网状和环形拓扑的保护，支持物理级、逻辑级和路径级保护，以及支持1+1、N+1和N:1保护。
通过以下描述，本领域的技术人员将会十分清楚本发明的大量修改和备选实施例。因此，本描述应视为只是说明性的，并用于向本领域的技术人员讲授执行本发明的最佳方式。只要不背离本发明的精神，结构的细节可以极为不同，保留所附权利要求书的范围中的所有修改的专用权。目的在于，本发明仅限于所附权利要求书及现行法律条文所要求的范围。

Claims (36)

1.一种以太网MAC硬件装置，用于通过对以太网网络上免受故障或从故障中恢复进行管理来支持以太网MAC SDH/SONET自动保护交换功能性，所述以太网MAC硬件装置包括：
MAC自动保护交换控制子层，配置成管理工作信道和保护信道上APS状态和处理所述以太网MAC硬件装置上存储的MAC自动保护交换控制帧；以及
多个MAC子层，支持SDH/SONET自动保护交换功能性，配置成处理所述MAC硬件装置上存储的MAC控制帧，用于执行MAC操作，
其中，所述以太网MAC硬件装置能配置供多个不同网络拓扑使用，以利用所述MAC自动保护交换控制子层和所述多个以太网MAC子层对所述以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
2.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述多个以太网MAC子层还包括链路集合子层。
3.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述多个以太网MAC子层还包括至少一个用于产生以太网MAC控制帧的MAC控制子层。
4.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层位于所述多个以太网MAC子层之内。
5.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述多个MAC子层的MAC控制子层和/或所述MAC自动保护交换控制子层处理控制帧中的可选VLAN标记。
6.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层在所述以太网MAC硬件装置中实现。
7.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层支持链路集合子层所形成的逻辑链路的自动保护交换。
8.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层支持物理链路的自动保护交换。
9.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层支持网络层路径的自动保护交换。
10.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC子层能在以太网交换装置和以太网MAC装置其中至少一个中实现。
11.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层处理以太网MAC自动保护交换控制帧。
12.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层维护以太网MAC控制自动保护交换状态。
13.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层在检测到MAC自动保护交换控制帧时产生中断以调用MAC客户端自动保护交换控制器。
14.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层在检测到自动保护交换状态变化时产生中断以调用MAC客户端自动保护交换控制器。
15.如权利要求1所述的以太网MAC硬件装置，其特征在于，所述MAC自动保护交换控制子层与以太网MAC客户端自动保护交换控制器交互作用，所述以太网MAC客户端自动保护交换控制器被配置成产生和端接工作信道和保护信道的APS请求，以对所述以太网网络上免受端口故障或链路故障及修复端口故障或链路故障进行管理。
16.一种以太网PHY硬件装置，包括：
至少一个物理子层，用于监视工作信道和保护信道、并通过监视工作信道和保护信道，在接收到检测到端口故障或链路故障的通知时产生中断；
其中，所述中断调用MAC客户端SDH/SONET自动保护交换控制器，供多个不同网络拓扑使用，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
17.一种以太网MAC客户端，包括：
网络层协议和交换机的转发功能其中至少一个；以及
至少一个MAC控制客户端SDH/SONET自动保护交换控制器，被配置成产生和端接自动保护交换协议中传送的信息并实现工作信道和保护信道上自动保护交换算法，
其中，所述以太网MAC客户端能配置供多个不同网络拓扑使用，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
18.一种在以太网MAC硬件和以太网PHY硬件上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括：
在工作信道或保护信道的近端网络节点上沿第一链路检测故障；
所述PHY硬件装置中的物理子层在检测到端口/链路故障时产生中断以调用MAC客户端自动保护交换控制器；以及
切换到第二链路以纠正所述故障，
其中，所述以太网MAC硬件装置和所述PHY硬件装置能配置供多个不同网络拓扑使用，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而在以太网协议网络上提供恢复功能性。
20.一种在以太网MAC硬件装置上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括：
在工作信道或保护信道上，所述以太网MAC硬件装置中的近端MAC自动保护交换控制子层从MAC自动保护交换控制帧缓冲器接收包含自动保护交换请求的MAC自动保护交换控制帧；
所述近端MAC自动保护交换控制子层更新MAC自动保护交换状态硬件寄存器以反映所述自动保护交换请求的接收；
所述以太网MAC硬件装置为所接收的MAC自动保护交换控制帧提供可屏蔽中断；
所述近端MAC自动保护交换控制子层产生中断以调用自动保护交换控制器；以及
所述自动保护交换控制器处理所述自动保护交换请求，
其中，所述以太网MAC硬件装置能配置供多个不同网络拓扑使用，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述自动保护交换请求包括采用自动保护交换K1/K2信令协议的切换请求和自动保护交换管理请求其中至少一个。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于还包括手动和自动切换自动保护交换请求其中至少一个。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于还包括区别逻辑故障、物理故障和网络路径故障。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而提供恢复功能性。
25.一种在以太网MAC硬件装置上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括：
所述以太网MAC硬件装置的近端MAC自动保护交换控制子层接收要在工作信道或保护信道传送的自动保护交换控制器请求；
所述近端MAC自动保护交换控制子层采用所请求的控制参数创建MAC自动保护交换控制帧；以及
所述近端MAC自动保护交换控制子层发送所述MAC自动保护交换控制帧，
其中，所述以太网MAC硬件装置能配置供多个不同网络拓扑使用，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述自动保护交换控制器请求包括采用自动保护交换K1/K2信令协议的切换请求和自动保护交换管理请求其中至少一个。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述自动保护交换控制器请求包括手动和自动切换自动保护交换请求其中至少一个。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而提供恢复功能性。
29.一种在以太网协议网络上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括以下步骤：
沿工作信道或保护信道的第一端口或链路遇到故障；
产生中断；以及
把所述中断转发到自动保护交换控制器，所述自动保护交换控制器发起从所述第一端口或链路向第二端口或链路的转换，
其中，所述方法能以多个不同网络拓扑实施，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而提供恢复功能性。
31.一种在以太网协议网络上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括以下步骤：
在工作信道或保护信道上，接收带有自动保护交换请求的自动保护交换控制帧；
处理所述自动保护交换控制帧自动保护交换请求；
产生中断；以及
把所述中断转发到自动保护交换控制器，所述自动保护交换控制器处理所述自动保护交换请求，
其中，所述方法能以多个不同网络拓扑实施，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而提供恢复功能性。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法采用SDH/SONET自动保护交换信令协议的SDH/SONET K1/K2字节提供对以太网协议网络的线性、环形和网状拓扑的标准SDH/SONET自动保护交换功能性的支持。
34.一种在以太网协议网络上提供SDH/SONET自动保护交换功能性的方法，包括以下步骤：
工作信道或保护信道上，从自动保护交换控制器客户端接收自动保护交换请求；
利用所述自动保护交换请求创建自动保护交换控制帧；以及
发送所述自动保护交换控制帧，
其中，所述方法能以多个不同网络拓扑实施，以对以太网网络上免受端口故障或链路故障及从端口故障或链路故障中恢复进行管理。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法在50ms以内执行，从而提供恢复功能性。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法采用SDH/SONET自动保护交换信令协议的SDH/SONET K1/K2字节提供对以太网协议网络的线性、环形和网状拓扑的标准SDH/SONET自动保护交换功能性的支持。
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