专利名称：基于以太网媒体接入控制层的网络设备的管理方法
技术领域：
本发明涉及数据通信领域，特别是涉及基于以太网媒体接入控制(MAC)层对以太网网络节点设备以及整个网络进行管理和监控的方法。
背景技术：
网管和监控是通信网络的重要组成部分，是保证网络高效、可靠、经济和安全运行的重要支撑手段。对于一个完备的网络环境，高效可靠的网管功能是必不可少的。
通常一个网管系统包括两个组件管理器和被管理器。管理器是一个平台，网络管理器通过它来行使网络管理的职能。被管理器指的是在被管理的实际设备上起接口作用的实体，被管理设备指的是包含被管理对象的网络设备，包括网桥、路由器、转换器和网络服务器等等，其中被管理对象可以是硬件、配置参数、性能统计等直接与设备运行操作相关的因素。
网络管理的内容包括两个方面管理器从被管理器那里获取网络和设备的各种工作参数和状态信息，获取信息的方式可以是主动查询、设备中断以及定时上报等等；管理器向被管理器发起配置命令，控制被管理设备的工作状态。这些工作状态的配置和状态信息的获取都是通过访问被管理器中的管理信息库来完成的。因此，网络管理的过程就是配置和获取被管理设备状态信息的过程，也就是管理器对被管理器的管理信息库进行读写访问的过程。
目前，对于本地网络设备进行配置和管理的方法通常是采用一个单独的接口，如图1所示。图1是传统的带有网管接口的以太网设备的方框图，包括以太网媒体接入控制(MAC)层设备，多个业务终端或工作站和网管终端(如IBM兼容机)。用户通过网管终端如PC机的串行接口或者通过单片机访问设备并行接口的方式来读写设备的网管寄存器，获取设备的状态信息并简单的配置设备的各种工作参数。这种管理方式，网管和普通数据相互独立、设计简单；缺点是需要两个不同的接口，成本高，速率低，而且更重要的是在现场调试时，需要单独的配置专用线，操作起来不方便。
在数据通信网中，应用最广泛的简单网络管理协议(SNMP)以其一系列的优点成为实质上的互联网网管标准。SNMP协议方法简单、易于扩充，而且将管理体系与硬件设备分离开来，扩展了支持多服务商的基础，是适合对整个互联网进行管理的方法；然而SNMP协议是建立在用户数据报协议(UDP)之上的，要想使用SNMP网管协议必须有底层IP协议栈的支持。
另一方面，在数据通信的发展过程中，随着以太网技术的迅速发展和以太网网络的日益普及，人们越来越习惯于使用以太网作为基本的传输网络，这样也就促进了以太网技术的进一步发展和更加广泛的应用，各种二层以太网相关设备诸如以太网网桥、转换器、收发器和交换机等等应用越来越广泛。现在以太网技术已经不仅仅是一种局域网技术，它正慢慢地扩展到城域网甚至广域网的应用中去，而且越来越多的上层应用也逐渐开始进行直接基于以太网的开发。
对于大量的以太网MAC层的网络节点设备，包括以太网网桥、以太网光纤收发器、二层以太网交换机等等，它们的主要功能是在MAC层上对以太网数据进行桥接、转发和交换。由于这些设备所完成的工作都是基于MAC层的，与IP层协议完全无关，因此在这些没备中不存在也没有必要存在IP协议栈，当然也没有必要具备IP地址。
如果使用各种上层网管软件对这些MAC层网络节点设备进行管理，就必须为这些设备配置特定的IP地址，增加UDP/IP协议栈，并且对网管信息进行逐层的封装和解封装十分麻烦而且没有必要；如果能够在第二层上完成以太网网管的功能，设计将大大简化并且不会增加对IP资源的占用。因此，开发一种简单方便的直接基于以太网MAC层的网络设备的管理方法十分必要。
发明内容
由于基于MAC层的网络节点设备都有一个10Mbps/100Mbps的网络接口与终端设备进行数据通信，而且通常这些网络设备本身对于以太网数据帧有一定的处理能力。本发明克服了现有技术中存在的缺陷。本发明的目的是把管理命令和网管信息组成一种特殊的以太网数据帧，利用现有的网络通道同时进行业务数据和网管数据的传输，不需要再增加一条新的网管通道，管理简单方便，而且网管数据的速率可以很高。
根据本发明，基于以太网媒体接入控制层的网络设备的管理方法包括配置和查询命令的处理以及状态信息上报的步骤，其中所述配置和查询命令的处理步骤包括网络终端设备将配置和查询命令插入以太网帧结构中组成一个完整的以太网数据帧并发送；被管理的网络节点设备接收以太网网卡发送的以太网数据帧，通过网管帧解析模块判断该以太网数据帧是否为网管帧，如果不是，则将该以太网数据帧转发给业务数据处理模块，经过处理后写入接收数据缓存FIFO；如果是，则将该以太网数据帧转发给网管帧处理模块，提取网管命令并写入网管寄存器；网络节点设备根据该网管寄存器的内容进行相应的配置和查询操作；所述状态信息上报的步骤包括被管理的网络节点设备实时采集与设备工作状态有关的各种信息并存储在网管寄存器中，当节点设备收到终端设备发来的查询命令、收到网络设备的中断或者定期进行上报工作状态信息时，节点设备中的网管帧的组帧模块从管理信息寄存器中读取状态信息并按照一定的比特顺序填充到上报以太网网管帧的协议数据单元字段PDU内，然后组成一个完整的以太网网管帧；业务数据发送处理模块从发送数据缓存FIFO中读取普通的业务数据并组成完整的以太网数据帧；在以太网发送控制模块的控制下通过媒体独立接口发送所述以太网网管帧和所述以太网数据帧；参与管理的网络终端设备接收通过媒体独立接口发送的所有的以太网帧；判断该以太网帧是否为网管帧；如果判断该以太网帧不是网管帧，则根据目的地址是否为本网卡MAC地址对所述以太网数据帧进行处理或丢弃；如果判断该帧是网管帧，则丢掉包封字段获得网管信息；解释所获得的网管信息的每个信息比特的含义；得到需要的工作状态信息，完成网络节点设备对终端设备的状态信息上报。
根据基于以太网MAC层的网管方法，网管通道和普通的以太网数据通道采用同一条物理传输通道，不需要再增加一条新的网管通道，管理简单方便，而且网管数据的速率可以很高。这种做法不需要另外设置网管接口，局域网内的所有业务终端设备在安装特定的网管软件之后都可以作为网管设备对网络节点设备和整个网络进行管理和监控，操作简单方便。
图1是传统的带有网管接口的以太网设备的方框图。
图2是网管与业务数据用一个通道传输的以太网设备的方框图。
图3是以太网MAC帧的帧结构图。
图4是以太网MAC层设备中的配置和查询命令的处理方框图。
图5是以太网MAC层设备中的状态信息帧的处理方框图。
图6是配置和查询命令的工作流程图。
图7是状态信息上报的工作流程图。
具体实施例方式
图2是网管与业务数据采用同一个通道的以太网节点设备的方框图。如图2所示，包括以太网媒体接入控制(MAC)层设备和多个可进行网管的业务终端设备(下面也称为网管终端、参与管理的终端设备)。该以太网MAC层的网络节点设备除了用于在MAC层上对以太网数据进行桥接、转发和交换外，还起着被管理的网络节点设备的作用。根据本发明的网络管理方法，被管理的网络节点设备和参与管理的终端设备能够从接收到的以太网数据中区分出哪些是普通的业务数据哪些是网管信息数据，可以实现利用一条信息通道同时传输普通的业务数据和网管信息数据，因此可以在网络终端设备上利用网管软件简单而方便的直接对节点设备进行管理和监控。
关于如何区分普通的业务数据和网管信息数据可以先分析一下以太网数据帧的帧结构。以太网数据帧的帧结构如图3所示。以太网帧的帧结构由5个字段组成，包括目的地址字段DA、源MAC地址字段SA、类型字段Type、协议数据单元字段PDU以及校验和字段FCS。其中目的地址字段DA指的是该以太网帧的目的MAC地址，包括广播地址、组播地址和特定单播地址，长度为6个字节；源MAC地址字段SA指的是发送该以太网数据帧的源设备的MAC地址，长度为6个字节，源MAC地址不能为广播或者组播地址；类型字段Type指的是该以太网帧所承载的上层协议数据的协议类型，长度为2个字节；协议数据单元字段PDU指的是该以太网帧所承载的数据内容，长度为46-1500个字节；校验和字段FCS是由前几个字段的比特序列经过FCS运算得出的校验和，长度为4个字节。
以上各个字段中，前面的目的地址字段DA、源MAC地址字段SA、类型字段Type和协议数据单元字段PDU四个字段都可以由用户自己指定，只要用户指定的这些字段的内容能够与普通数据的内容区分开来，网络节点设备和终端设备就能够将网管帧与普通的数据帧区分开来。比如用户可以采用独特的、不会出现重复的目的地址、源地址、帧类型，或者在协议数据单元字段PDU内部增加特定的比特序列，来保证这些字段不会与其它数据帧的相应字段重复。
因此，通过比较目的地址字段DA、源MAC地址字段SA、类型字段Type可以判断以太网数据帧是否为网管帧。
下面参照图4-7具体叙述本发明的基于以太网MAC层的网络设备的管理方法。基于以太网MAC层的网络设备的管理方法包括配置和查询命令的处理以及状态信息上报。
图4是以太网MAC层设备中的配置和查询命令的处理方框图。图6是配置和查询命令的工作流程图。以下结合图4和6叙述配置和查询命令的工作过程。
网络终端设备(PC)中的网管软件将查询和配置的命令按照一定的格式组成比特序列，并填充到以太网帧的协议数据单元字段PDU内，如果填充查询和配置命令的比特序列后得到的字段长度还不够以太网最短帧的长度，可增加填充字节来达到该长度；然后在协议数据单元字段PDU的前面填充目的地址字段DA、源MAC地址字段SA和类型字段TYPE，在后面增加校验和字段FCS，组成一个完整的以太网数据帧并通过以太网网卡发送出去。被管理的网络节点设备接收到通过以太网网卡发送的以太网数据帧后，通过网管帧解析模块401比较以太网数据帧的特定字段，例如比较目的地址字段DA、源MAC地址字段SA和类型字段TYPE，判断该帧是否为网管帧如果不是，则将该以太网数据帧转发给业务数据处理模块402，经过处理后写入接收数据缓存FIFO 403；如果是，则将该以太网数据帧转发给网管帧处理模块404，将协议数据单元字段PDU内容提取出来并按照一定的顺序写入网管寄存器405，然后网络节点设备根据寄存器的内容进行相应的配置和查询操作，这样就完成了终端设备对节点设备的查询和配置。
图5是以太网MAC层设备中的状态信息帧的处理方框图。图7是状态信息上报的工作流程图。下面结合图5和7叙述状态信息上报的过程。首先被管理的网络节点设备实时采集与设备工作状态有关的各种信息并存储在网管寄存器中，当节点设备收到终端设备发来的查询命令、收到网络设备的中断或者定期进行上报工作状态信息时，节点设备中网管帧的组帧模块505从管理信息寄存器504中读取状态信息并按照一定的比特顺序填充到上报以太网网管帧的协议数据单元字段PDU内；然后增加目的地址字段DA、源MAC地址字段SA、类型字段TYPE以及校验和字段FCS，组成完整的以太网网管帧。另外，作为MAC层网络设备，以太网MAC帧的交换和转发是其基本功能，业务数据发送处理模块502从发送数据缓存FIFO 501中读取普通的业务数据并组成完整的以太网数据帧。这两种不同类型的以太网网管帧和以太网数据帧是在以太网发送控制模块503的协调之下通过一个媒体独立接口(MII)发送出去。
参与管理的网络终端设备的网卡经过网管软件设置以后可以接收所有进出该网卡的以太网帧，通过比较目的地址字段DA、源MAC地址字段SA和类型字段TYPE，可以判断该帧是否为网管帧，如果不是，则判断目的地址是否为本网卡MAC地址，如果判断结果为是，则由其它软件对这些以太网数据帧进行处理，如果判断结果为不是，则丢弃该帧；如果判断该帧是网管帧，则丢掉包封字段，将该以太网帧的协议数据单元字段PDU字段内容提取出来而获得网管信息，然后对每个信息比特的含义进行解释，得到需要的被网管节点设备的工作状态信息，完成网络节点设备对终端设备的状态信息上报。
关于网管帧的MAC地址，在网管软件对网络节点设备进行查询和配置时，网管帧的目的地址可以采用广播地址也可以采用特定单播MAC地址，被管理的网络节点设备都能够接收到该网管帧而进一步进行解析；但是如果被管理的网络节点设备是集中式设备，网管软件需要同时对多台不同的节点设备进行查询和配置，就要求网管帧的目的地址唯一指向要配置的那台设备的MAC地址，因此要为每台需要管理的节点设备分配固定独特的MAC地址。
大多数的二层以太网节点设备本身不具备MAC地址，而要组成一个合适的以太网网管帧必须使用合适的MAC地址，按照上述原则必需对每一台需要同时管理的节点设备分配独特的MAC地址。由于IEEE的MAC地址分配原则中规定了某些特定地址作为本地私有地址，不会与各大网络厂商的MAC地址重复。
这样，终端设备中的网管软件就可以向节点设备发送具有如下特征的以太网网管帧目的地址为指定节点设备的MAC地址，源地址是本终端设备(PC机)的MAC地址，类型为特定以太网帧类型。网络节点设备发送的网管信息上报帧可以具备如下特征源地址是本节点设备指定的MAC地址，类型为特定的以太网帧类型，目的地址可以是广播地址也可以是发送查询命令的终端设备的MAC地址，目的地址选择广播地址时该接口所连接的整个局域网内所有的终端设备都能够收到该网管帧；而目的地址选择特定的单播地址时，只有特定的终端设备才能够接收到该网管帧。
一般以太网网卡有两种工作模式实模式和混合模式。通常，计算机(PC)的网卡工作在实模式下，该网卡只能接收目的地址等于本网卡MAC地址的以太网帧；为了能够接收和发送所有MAC地址的以太网帧，可以把网卡设置为混合模式，这种工作模式下网卡可以接收和发送所有进出该网卡的以太网帧，而不管目的地址是否与本网卡地址相同。
由于本发明定义的网管帧是一种特殊的、自定义的以太网帧格式，因此只在本局域网内进行传输。当然，由于是对本地节点设备进行管理和监控，网管帧只需要在局域网内传输，终结于网络节点设备和网络终端设备。
上面所述的实施例是基于以太网MAC层的网管方法，网管通道和普通的以太网数据通道采用同一条物理传输通道，这种方法不需要另外设置网管接口，局域网内的所有业务终端设备在安装特定的网管软件之后，可以作为网管设备对网络节点设备和整个网络进行管理和监控，操作简单方便，在拓扑比较简单的情况下这种网管方式还是非常可取的，但是网管通道与业务通道不能够独立运行和维护。
如果需要网管通道和普通业务通道独立运行和维护，可以在业务通道的以太网接口以外，再增加一个独立的网管以太网接口，具体网管过程与上述过程相似，由于以太网网管帧和以太网数据帧的传输路径不同，因此不需要在帧结构上对这两种以太网帧进行区分。考虑到以太网的媒体独立接口(MII接口)的管脚数量比较多，可以采用简化的媒体独立接口(RMII接口)。
权利要求
1.基于以太网媒体接入控制层的网络设备的管理方法，包括配置和查询命令的处理以及状态信息上报的步骤，其中所述配置和查询命令的处理步骤包括网络终端设备将配置和查询命令按照一定的格式组成比特序列，插入以太网帧结构中组成一个完整的以太网数据帧并通过以太网网卡发送；被管理的网络节点设备接收以太网网卡发送的以太网数据帧，通过网管帧解析模块判断该以太网数据帧是否为网管帧，如果不是，则将该以太网数据帧转发给业务数据处理模块，经过处理后写入接收数据缓存FIFO；如果是，则将该以太网数据帧转发给网管帧处理模块，提取网管命令并写入网管寄存器；网络节点设备根据该网管寄存器的内容进行相应的配置和查询操作；所述状态信息上报的步骤包括被管理的网络节点设备实时采集与设备工作状态有关的各种信息并存储在网管寄存器中，当节点设备收到终端设备发来的查询命令、收到网络设备的中断或者定期进行上报工作状态信息时，节点设备中的网管帧的组帧模块从管理信息寄存器中读取状态信息并按照一定的比特顺序填充到上报以太网网管帧的协议数据单元字段PDU内，然后组成一个完整的以太网网管帧；业务数据发送处理模块从发送数据缓存FIFO中读取普通的业务数据并组成完整的以太网数据帧；在以太网发送控制模块的控制下通过媒体独立接口发送所述以太网网管帧和所述以太网数据帧；参与管理的网络终端设备接收通过媒体独立接口发送的所有的以太网帧；判断该以太网帧是否为网管帧；如果判断该以太网帧不是网管帧，则根据目的地址是否为本网卡MAC地址对所述以太网数据帧进行处理或丢弃；如果判断该帧是网管帧，则丢掉包封字段获得网管信息；解释所获得的网管信息的每个信息比特的含义；得到需要的工作状态信息，完成网络节点设备对终端设备的状态信息上报。
2.根据权利要求1的方法，其中所述组成一个完整的以太网数据帧的步骤包括在构成以太网数据帧的协议数据单元字段的前面顺序填充目的地址字段、源MAC地址字段和类型字段，在后面增加校验和字段；在所述协议数据单元字段中填充查询和配置命令的比特序列后，如果得到的字段长度还不够以太网最短帧的长度，则增加填充字节来达到该长度。
3.根据权利要求2的方法，其中该终端设备通过太网网网卡向节点设备发送的以太网数据帧中目的地址是指定节点设备的MAC地址，源地址是本终端设备的MAC地址，类型为特定的以太网帧的类型；该网络节点设备发送的以太网数据帧中目的地址是广播地址或是发送查询命令的终端设备的MAC地址，源地址是本节点设备指定的MAC地址，类型为特定的以太网帧的类型；当目的地址是广播地址时，所有的终端设备都能够收到该网管帧；而当目的地址是特定的单播地址时，只有特定的终端设备能够接收该网管帧；
4.根据权利要求3的方法，其中指定节点设备的MAC地址是唯一地固定分配给一台需要管理的节点设备的MAC地址。
5.根据权利要求1的方法，其中判断以太网数据帧是否为网管帧的步骤是进行目的地址字段DA、源MAC地址字段SA、类型字段Type的比较。
6.根据权利要求1的方法，其中发送所述以太网网管帧和所述以太网数据帧的步骤是利用同一条物理传输通道发送的。
7.根据权利要求1的方法，其中发送所述以太网网管帧和所述以太网数据帧的步骤是利用网管通道和普通业务通道独立发送的；在参与管理的网络终端设备接收所有的以太网帧的步骤之后，执行以下步骤根据目的地址对所述以太网数据帧进行处理或丢弃；丢掉网管帧中的包封字段获得网管信息；解释所获得的网管信息的每个信息比特的含义；得到需要的工作状态信息，完成网络节点设备对终端设备的状态信息上报。
全文摘要
基于以太网MAC层的网络设备的管理方法包括配置和查询命令的处理及状态信息上报的步骤，配置和查询命令的处理包括组成以太网数据帧并发送；接收该以太网数据帧，如果该数据帧不是网管帧，则转发并经处理后写入数据缓存器；否则提取网管命令并写入寄存器；进行相应的配置和查询操作；状态信息上报包括采集有关的信息并存储，当收到查询命令或定期上报工作状态信息时，读取状态信息并组成以太网网管帧；读取普通的业务数据并组成以太网数据帧；发送该以太网网管帧和数据帧；终端设备接收所有的以太网帧；如果该以太网帧不是网管帧，处理或丢弃该帧；否则获取网管信息，得到需要的状态信息。本方法网管和数据用一条物理传输通道，管理简单方便。
文档编号H04L12/24GK1681251SQ20041003082
公开日2005年10月12日 申请日期2004年4月7日 优先权日2004年4月7日
发明者王庆钢, 马宏伟, 陈永峰 申请人:北京润光泰力科技发展有限公司