CN102811168B - 同步网络交换机 - Google Patents

Abstract

一种同步网络交换机。网络路由器连接用于在网络中传送数据帧的环形网络中的网络节点。该网络路由器具有为网络节点提供物理接口的多个网络端口。该网络路由器进一步具有连接到网络端口的路由处理器。路由处理器被配置为在相同时间接收帧和发送帧。路由处理器从要被接收的帧中读取特定净荷段，并用净荷段放置在要被传送的帧的另一个特定净荷段内。

Description

同步网络交换机

技术领域

本发明涉及通信系统，尤其涉及形成为彼此耦接的两个或更多个端口的环形网络的同步通信系统。所述端口优选地与单独的多媒体设备相关联，该网络形成在该设备的端口之间，该设备耦接到外部多媒体设备。

背景技术

通信系统通常被认为是允许在通过传输线路相互连接的节点之间进行通信的系统。每个节点可以在该传输线路上发送信息，和/或可以接收信息。相互连接的节点的通信系统可以被组织成多种拓扑结构，诸如总线、环形、星形或树形拓扑等。

总线拓扑网络通常被认为是线性的，其中来自一个节点的传输在传输线路的长度上传播，并且被连接到该总线的所有其他节点接收。但是，环形拓扑网络通常由按单向传输线路相互连接以构成单独的闭合环的一系列节点组成。环形网络的示例在IEEE802.5和光纤分布式数据接口(FDDI)中有描述。

用于传送音频和视频数据的流数据在从源端口产生到网络上的采样之间具有时间关系。在传输线路上必须保持那些采样之间的关系，以避免可察觉到的错误，比如间隔或改变的频率。时间关系的丢失可能导致目的地处的接收机经历抖动、回波或最差的情况是音频和视频流中的周期性空白。转发流数据的网络优选地与每个源和目的节点同步，所述节点以与网络同步的速率采样。

在流数据典型地在网络上同步地发送时，存在这样的情况：其中，节点的本地采样速率与传输线路的帧同步速率不是相同频率。如果是这种情况，则对来自源设备的数据流进行采样速率转换，然后在网络上同步地发送。或者，该数据可在网络上等时(isochronous)发送。存在不同类型的等时数据流。第一，采样速率可能与网络帧速率不同步。这里，每帧的字节数量可能会逐帧地轻微变化。一个例子是通过48kHz帧速率传输44.1kHz的音频流。在第二种类型中，在恒定时间间隔存在具有变化数据量的突发信号。该信号可以是MPEG传输流。在等时数据的第三种类型中，在变化时间间隔存在变化数据量。

为了将大量网络节点连接到环形网络，可以使用在美国专利申请公开US 2005/0271068A1中公开的集线器。因为它只转发接收到的数据，所以不会降低网络负载。为降低网络负载并因此增大网络吞吐量，需要路由器。

在美国专利申请公开US 2008/0002732A1中公开了一种用于以太网的路由器。其缺点是随着日益增加的网络连接和数据吞吐量，这种路由器需要日益增加的量的缓冲存储器和处理能力。因为缓冲，所以不可能进行数据的同步实时传输。

为在非确定性网络(例如以太网)上传送如音频和视频数据这样的流多媒体数据，实施了QoS(服务质量)机制。这需要进一步的处理能力和用于缓冲低优先级帧的过量存储器。这很难集成到微控制器中。

发明内容

本发明要解决的问题是，为环形网络提供一种网络路由器，其需要少量的计算资源和存储器，以及还能够路由同步的实时数据。

根据本发明的一方面，提供了一种网络路由器，用于连接用于传送数据帧的环形网络内的网络节点，包括：至少第一网络端口和第二网络端口，为网络节点中的至少两个提供物理接口，以及路由处理器，连接到所述网络端口中的至少两个，其特征在于，第一网络端口连接到第一环形子网，第二网络端口连接到第二环形子网，以及路由处理器被配置为：通过网络端口中的一个接收第一帧并读取第一帧的至少一个净荷段的数据，通过第一网络端口发送第二帧并把第一组多个净荷段的数据放置在第二帧中，通过第二网络端口发送第三帧并把第二组多个净荷段的数据放置在第三帧中，以及其中第一组多个净荷段能够与第二组多个净荷段不同。

网络路由器被配置为在环形网络中连接网络节点。在网络上发送数据的网络节点在此被称为源，而从网络接收数据的网络节点为汇(sink)。网络节点被配置为作为源和/或汇进行操作。在环形网络中传输数据帧。这些帧更优选地传送同步数据，例如音频或视频数据。网络路由器具有对多个网络节点提供物理接口的至少两个网络端口和连接到网络端口的路由处理器。优选地，至少一个网络端口连接到环形子网。

路由处理器被配置为接收帧，修改帧，并且在接收帧的基本相同时间发送帧。术语基本相同时间在此是指，帧的发送最晚在帧的接收结束之前开始。优选地，发送在接收开始后的最大100字节、优选10字节的延迟的情况下开始。

路由处理器进一步被配置为读取接收到的帧的至少一个特定净荷(payload)段，并将这些净荷段的至少一个放置到在修改的帧中的至少一个其他特定净荷段中。

优选地，净荷段通过网络端口被路由到具有需要接收所述净荷段的网络节点的子网中。例如，第一帧可被任意网络端口接收。该端口可从至少一个净荷段读取数据。第二帧可通过第一网络端口发送。其可包含至少第一组多个读取净荷段的数据。此外，第三帧可通过第二网络端口发送，该帧包含第二组多个读取净荷段的数据。更优选地，该第一组多个净荷段可以与第二组多个净荷段不同。

该路由器的优点是简单和充分使用可用的网络带宽的能力，同时只需要少量的缓冲存储器和处理能力。优选地，接收到的帧中的至少一个特定净荷段包含同步数据。

更优选的是，至少一个网络端口是路由处理器的一个集成部分。这意味着网络路由器可以实现在单个芯片上，优选地实现在专用微控制器或ASIC上。

在另一个优选的实施例中，路由处理器被分布在至少一个网络端口上。这意味着网络端口相互通信以交换路由信息，并在各个网络端口之间相应地转发数据。

根据另一个实施例，路由处理器具有路由表，路由表保存接收到的帧的特定净荷段和发送的帧的相应净荷段。

更优选的是至少两个、优选地所有网络节点同步地发送帧。因此，帧的发送在相同时间开始，或者在帧时钟同步的同时在相互之间具有预定或确定的延迟的情况下开始。该延迟比帧的长度短，优选地短很多。

本发明的又一方面提供一种具有上述网络路由器的网络，其中，至少一个网络节点连接到至少一个网络路由器。

本发明的另一方面是在环形网络中用于路由数据的方法。该方法包括以下步骤：

-从网络接收数据的至少一个帧，

-通过读取接收到的帧的至少一个特定净荷段，并把这些读取的净荷段中的至少一个放置在该帧中的至少一个其他净荷段中，来生成至少一个修改的数据帧，以及

-在接收帧的基本相同时间传送至少一个修改的数据帧到网络。

该方法可进一步通过发送至少一个修改的数据帧到第一子网来改进，并进一步包括以下步骤：

-通过以下来生成至少一个进一步修改的数据帧：读取接收到的帧的至少一个不同净荷段，并将这些读取的净荷段的至少一个放置到该进一步修改的数据帧中的至少一个其他特定净荷段中，以及

-在接收帧的基本相同时间传送该至少一个进一步修改的数据帧到网络的第二子网。

在该方法的一个优选实施例中，接收到的帧的至少一个特定净荷段包含同步和/或等时数据。结果，所发送的修改的帧也包含同步或同步和/或等时数据。

附图说明

下面将参照附图通过对实施例的示例描述本发明，而不限定总体发明构思。

图1示出了其网络节点连接到路由器的网络。

图2示出了可以在网络上传输的示例性数据帧。

图3示出了连接到网络节点的网络路由器。

图4示出了路由处理器的功能。

图5示出了在各个线路处在网络上传输的数据之间的定时关系。

图6详细地示出了更多路由功能。

图7更详细地示出了网络路由器的内部结构。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的优选实施例。大量网络节点通过网络路由器10连接，以构成环形网络。网络可以是MOST总线。网络路由器10具有三个网络端口11、12和13。网络端口11经由线路60转发数据给第一节点20。该第一节点20和节点21和22构成子环，从而通过这些节点转发数据。最后一个节点22的输出通过线路61连接到网络端口11的输入。网络端口12的输出被通过线路62连接到网络端口30的输入用于转发数据，而网络节点30的输出被经由线路63连接到网络端口12用于转发数据。此外，网络端口13的输出被通过线路64连接到网络端口40的输入用于转发数据，而该网络端口的输出被通过线路65连接到网络端口13用于转发数据。在网络路由器10中，各个网络端口11、12和13可以被如虚线所示那样连接以闭合环形网络的逻辑环。在此示例中，由网络端口11通过线路61接收的网络数据被转发到网络端口12用于通过线路62传输。通过线路63接收的数据从网络端口12转发到网络端口13用于通过线路64传输。最后，通过网络端口13从线路65接收的数据被转发到网络端口11用于通过线路60传输。

显然，可以有连接各个网络端口的其他方式。这只是对基础数据流的一个简单图示。由于网络路由器10的路由功能，在网络上发送的数据帧的各部分可以被不同地路由，例如直接在任意两个端口之间。网络路由器中的数据流不一定所示那样经由物理线路来指示。其也可以是由微控制器或微处理器管理的逻辑数据流。由于确定性的网络，所以路由保持很简单。

图2示出了可以在网络上传输的示例性数据帧。帧头110之后是专用于特定类型数据的各个时隙。第一时隙120可专用于同步数据，第二时隙130可专用于分组数据，第三时隙140可专用于等时数据以及第四时隙150可专用于控制数据。所有时隙可具有不同的尺寸。因为根据本发明的路由对于同步和等时数据效率最高，所以在以下的示例性实施例中详细地解释这样的同步数据路由。显然，除同步数据之外，通常也可以相应地路由任何其他类型的数据。专用于同步数据的时隙120可进一步细分为多个净荷段，每个净荷段被分配给特定通信信道。在此术语通信信道用于至少两个网络节点之间的通信。优选地是指持续特定时间的通信，但也可用于在网络节点之间传输的数据的个体包或多个包。这样的通信可以是一个发射机和一个接收机之间的单播通信，一个发射机和多个接收机之间的多播通信，甚至从一个发射机到全部接收机的广播通信。在此处示出的实施例中，时隙120被细分为4个净荷段121、122、123和124。

图3示出了与网络节点20、30、40和50相连的网络路由器10。这里的配置和图1相似。现在不示出3个网络节点20、21和22，而示出仅一个网络节点20。另一个网络节点50通过线路66和67附着到网络路由器10的网络端口14。此外，网络端口11、12、13和14连接到路由处理器15。网络线路60-67优选地是光线路。其也可以是电线路。

分配管理器16转发本地净荷分配信息给网络节点20、30、40、50。出于此目的，其连接到网络。这样的连接也可通过路由处理器15完成。分配管理器16也可以是路由处理器15的一部分。其也可以是一个独立的网络节点或任意其他网络节点的一部分，优选地是主节点的一部分。分配管理器优选地在本地转发分配信息给各个节点20、30、40、50或子环的所有节点20、21、22。分配信息可包含在每个帧中。优选地，分配信息只在分配改变和/或在预定时间间隔期间和/或网络节点提出请求时发送。为了传输分配信息，优选地，使用帧中、优选是帧头中的信令字节。分配信息最好包含关于在通信信道和分配的时隙段之间的关系的信息。分配信息还包含关于汇节点和源节点的信息。分配管理器可为节点存储个体的分配信息。分配管理器还存储包括网络的所有分配信息的主分配表。在另一个实施例中，分配管理器可修改总线主控器发送到网络节点的分配信息。有这个必要是因为在大多数情况下总线主控器了解所有网络节点，但不一定了解快速网络路由器及其能力。由于具有网络路由器的网络可以服务于多于可用净荷段数量的网络连接数量，所以总线主控器可被配置为承担特定数量的虚拟净荷段，并虚拟地分配各个网络连接，每个网络连接都具有与这些虚拟净荷段中的一个绑定的至少一个数据源和一个数据汇。当总线主控器发送该分配信息给各个总线节点时，分配信息被分配管理器修改并转换成物理可用数量的净荷段。这维护了与较老网络设备的兼容性。

在图4中，对路由处理器15的功能和路由方法进行了更详细的解释。在每行中，第一数目涉及线路60-67之一。后面的4个框涉及用于同步数据的时隙120的4个净荷段121、122、123和124(从左到右)的数据内容。在此实施例中，从源到汇有4个通信信道：

1、网络节点20到网络节点30发送数据131

2、网络节点40到网络节点50发送数据132

3、网络节点20到网络节点40发送数据133

4、网络节点30到网络节点50发送数据134

由网络端口11通过线路60发送到网络节点20的数据帧具有4个空的净荷段，这是由于没有数据要被传输给网络端口20。网络节点20通过线路61在第一净荷段121中发送应被转发到网络节点30的数据131。此外，网络节点20还在第二净荷段122中发送应被转发到网络节点40的数据133。在路由处理器15处理该帧之后，修改后的帧通过线路62被发送到网络节点30。这个修改后的帧仅在净荷段121中包含应被网络节点30接收的数据131。该网络节点30进一步将数据134写入净荷段121中，净荷段121应被转发到网络节点50。自此净荷段121被重用了。进来的数据131与流出的数据134来自不同的通信信道。如果没有路由器，这样的配置只有在用于特定通信信道的接收机跟随其在环路中的发射机时才有可能。这对于没有交换机的子环20、21、22也是有效的。由于这交换机，净荷段可以自由分配。当转发通过线路63从网络节点30接收的帧时，路由处理器15将数据133放入要通过线路64转发到网络节点40的净荷段122中。该数据133之前是通过线路61从网络节点20接收的。网络节点40进一步将数据132加入到应被转发到网络节点50的净荷段121中，并通过线路65将它们发送给网络路由器10。其可选地被作为净荷段122中的无效数据被丢弃或标记。通过保持净荷段121不变并将以前从网络节点30在净荷段121中接收的数据134加入净荷段122中，路由处理器15通过线路66将帧转发到网络节点50。网络节点50接收数据，并可选地丢弃或标记为净荷段121和122中的无效数据。最后，网络路由器10通过线路67从网络节点50接收的帧通过线路60被转发到网络节点20。在此实施例中，数据一直位于帧的同一净荷段中。例如，在线路61，数据133被分配给净荷段122。在路由到线路64之后，净荷段122中的位置保持不变。这保证了与标准网络节点的兼容性。为了更有效地利用净荷段，数据的位置可以被重新分配到不同位置。例如，数据133在线路64上可被分配给净荷段121。在进行此重新分配之前，必须将此重新分配告知网络节点或重新配置网络节点以处理此重新分配的位置。对于存在连接到网络端口的子环的情况，例如图1中所示的，如果在链中源位于汇之后，则端口11可把通过线路61接收的数据转发给线路60。如果网络节点22正转发数据到网络节点20则可能就是这种情况。对于在网络中源在汇之前的情况，路由器可丢弃接收到的数据。如果网络节点20正转发数据到网络节点21则可能就是这种情况。

此示例示出了由网络路由器10中的路由处理器15进行的路由的效率。对于4个通信信道，只需要专用于同步数据的时隙的两个净荷段。在不进行路由的情况下，将要求时隙的4个净荷段，这是由于必须把数据131、132、133、134中的每一个分配给净荷段121、122、123、124中的一个。这种简单有效的路由与现有技术已知的路由相比，需要少得多的存储器和处理能力。

图5示出了在网络上在各个线路61和64处传输的数据之间的定时关系，各个线路61和64连接到各个网络节点20和40用于传输数据133。帧从线路61至64的传播导致了通常在纳秒到微秒的范围内的延迟。在此示例中，在每秒125Mb的比特率下，存在相当于40ns的5比特的延迟。相应地，线路64处的帧相对于线路61延迟5比特持续时间。为了组装要在线路64上传输的帧，路由器从线路63接收帧并把数据133插入净荷段122中。数据133被从线路61连续地接收，并必须在插入线路64的帧之前延迟5比特持续时间。在此图中只示出了净荷段133的第一和最后几个比特。路由器只需要最小量的存储器来补偿网络中的延迟。在此示例中需要5比特的存储器。与常规的路由器(例如在网络中转发帧之前必须接收和存储至少一个帧的以太网路由器)的存储器需求相比，这是可以忽略不计的。这种标准的以太网帧需要1542字节的存储器。

图6详细示出了更多路由功能。在替代实施例中，至少两个或优选地全部网络端口同时开始或者相互之间有确定延迟地传输帧。如上所示，来自附连的网络节点的数据在具有一些延迟的情况下接收的，使得从一个节点接收的数据不能同时插入正被传输到不同节点的净荷段中。相反其必须延迟到下一个净荷段。例如，接收到的数据131、133和134在一个净荷段之后被传输。通过线路65在净荷段121中接收的数据132不能通过线路66在净荷段122中传输，因为净荷段122已被数据134占用。因此数据132必须进一步延迟直到净荷段123。通过线路63在净荷段124中的数据135不能在时隙120中传输，因为净荷段124是这个时隙中的最后一个净荷段。因此数据135必须进一步延迟。在此示例中，数据135被延迟以便通过线路66传输，直到下一帧中的第一个可用净荷段125。对于节点20为包括多个节点20、21、22的子环的情况，如图1所示，从子环的一个节点传输数据给子环中位于该节点之前的另一个节点，需要将数据重新传输到同一子环中。这通过可由节点22传输给节点21的数据136的例子而示出。使用净荷段126将数据馈入线路61，并在线路60处使用净荷段127将其重新传输到同一子环中。这经由节点20转发到目的节点21。

通常，可以存在延迟以在随后的净荷段121、122、123、124，随后的时隙120、130、140、150，或甚至随后帧上分发数据。

图7更详细地示出了网络路由器10的内部结构。路由处理器15具有微控制器90和存储器91。两者都与路由器的其他组件，例如网络端口11、12、13和14，通过总线99相连。该总线具有至少一条线路用于控制信号(如上部线路所示)，例如由微控制器90发送给网络端口的控制信号。存在至少一个附加线路(下部线路)用于在网络端口之间转发数据帧。还有嵌入网络路由器中的网络节点92。该网络节点92被逻辑集成到环形结构中，从而接收数据帧和发送数据帧。该网络节点92可被用作为整个总线系统定义定时基准的定时主控器。该网络节点92也可被用作发送配置信息给各个网络节点的配置主控器。该网络节点92还可转发分配信息给网络节点，例如用于指定净荷段121、122、123、124中的哪个被分配给如上所述的特定通信信道。其还可以重配置附连的网络节点。还可以提供附加的网络端口/控制器93来与其他网络(甚至具有不同网络标准或协议，例如以太网或Media LB)通信。该网络还可以在同一电子设备或甚至同一芯片上具有本地子网。

附图标记列表

10 网络路由器

11，12，13，14 网络端口

15 路由处理器

16 分配管理器

20，21，22，30，40，50 网络节点

60-67 网络线路

90 微控制器

91 存储器

92 嵌入式网络节点

93 附加网络端口/控制器

99 总线

110 帧头

120 用于同步数据的时隙

121，122，123，124 时隙120的净荷段

125，126，127，128 下一帧中的时隙的净荷段

130 用于分组数据的时隙

140 用于等时数据的时隙

150 用于控制数据的时隙

Claims (14)

1.一种网络路由器(10)，用于连接用于传送数据帧的环形网络内的网络节点(20，30，40，50)，包括：

-至少第一网络端口(11)、第二网络端口(12)和第三网络端口(13)，为所述网络节点(20，30，40，50)中的至少三个提供物理接口，以及

-路由处理器(15)，连接到网络端口(11，12，13，14)中的至少三个，

其中，

第一网络端口(11)、第二网络端口(12)和第三网络端口(13)中的每一个连接到所述网络节点(20，30，40，50)中的所述至少三个中的至少一个以形成环形网络，以及

所述路由处理器(15)被配置为

-通过第一网络端口接收第一帧，并读取第一帧中将发送给与第二网络端口连接的网络节点的第一组净荷段的数据以及将发送给与第三网络端口连接的网络节点的第二组净荷段的数据，

-通过第二网络端口发送基于第一组净荷段的数据的修改的第二帧，

-通过第三网络端口发送基于第二组净荷段的数据的修改的第三帧，以及

-其中第一组净荷段能够与第二组净荷段不同，并且第二帧和第三帧的发送最晚在第一帧的接收结束之前开始。

2.如权利要求1所述的网络路由器，

其中，提供分配管理器(16)用于将本地净荷分配信息转发给网络节点(20，30，40，50)中的至少两个。

3.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，接收到的帧中的至少一个特定净荷段包含同步和/或等时数据。

4.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，至少一个网络端口(11，12，13，14)是所述路由处理器(15)的集成部分。

5.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，所述路由处理器(15)被分布在至少一个网络端口(11，12，13，14)上。

6.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，所述路由处理器(15)具有路由表，该路由表存储接收到的帧的特定净荷段和发送的帧的对应净荷段。

7.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，网络端口(11，12，13，14)中的至少两个同步地传送帧，或者在相互之间具有预定或确定时间关系的情况下传送帧。

8.如权利要求7所述的网络路由器，

其中，所有网络端口(11，12，13，14)同步地传送帧。

9.如权利要求2所述的网络路由器，

其中，所述分配管理器(16)修改来自总线主控器的分配信息。

10.如权利要求1或2所述的网络路由器，

其中，所述路由处理器(15)把数据中的至少一个数据延迟直到随后的净荷段、随后的时隙或随后的帧。

11.一种具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的网络路由器的网络，

其中，至少一个网络节点(20，30，40，50)连接到至少一个网络路由器。

12.一种用于通过网络路由器在环形网络中路由数据的方法，所述网络路由器具有第一网络端口(11)、第二网络端口(12)和第三网络端口(13)，每个端口连接到至少一个网络节点(20，30，40，50)以形成环形网络，所述方法包括以下步骤：

-通过第一网络端口从网络中接收第一数据帧，

-通过读取第一数据帧中将发送给与第二网络端口连接的网络节点的第一组净荷段的数据，来生成至少修改的第二数据帧，

-通过读取第一数据帧中将发送给与第三网络端口连接的网络节点的第二组净荷段的数据，来生成至少修改的第三数据帧，以及

-在接收第一数据帧的相同时间通过第二网络端口传送修改的第二数据帧到网络并通过第三网络端口传送修改的第三数据帧到网络。

13.如权利要求12所述的用于路由数据的方法，

其中，接收到的帧中的至少一个特定净荷段包含同步和/或等时数据。

14.如权利要求12或13所述的用于路由数据的方法，

其中，这些净荷段中的至少一个被延迟直到随后的净荷段、随后的时隙或随后的帧。