CN112187677A - 网络交换机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络交换机，由两个网络交换装置所组成。两个网络交换装置可以设定为两个独立交换机，即第一网络交换装置借由第一路径收发讯务、第二网络交换装置借由第二路径收发讯务；或将两个网络交换装置设定为互相进行保护切换的两个网络交换装置。当其中一个发生故障时，网络交换机会执行切换工作。如第一网络交换装置发生故障时，其相对低速适配卡板会被切换至第二网络交换设备，继续收发讯务；反之亦然。又如在第一网络交换装置中的某一个接口发生故障时，此接口会被切换至第二网络交换装置上，继续收发讯务。借此，当其中一个网络交换装置发生问题或故障时，会自动切换到另一个网络交换装置继续提供服务，达到电信等级的可靠度的功效。

Description

网络交换机及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种网络设备技术领域，特别是涉及一种网络交换机及其操作方法。

背景技术

目前软件定义网络(software defined network,SDN)所用的网络交换机大部分是工业等级(industrial grade)的硬件设计，基本上是以单一电路板为主，不具有交换核心保护切换的设计，不符合传统电信营运商的要求。

在传统电信服务公司，所有的电信设备都需要以最高的可靠度来设计，在数据服务供货商(data service provider)的数据中心中，是由多个网络交换机所组成，当其中一个交换机发生问题或故障时，数据流会自动切换到另一个交换机继续提供服务，切换时间因为传输路径的不同，无法预测切换所需的时间，因此无法满足超可靠低延迟通信(ultra-reliable low latency communication,URLLC)的要求，例如延迟时间小于1毫秒(1mS)的要求。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种网路交换机及其操作方法，以解决在一个网络交换机故障时，因传输路径的不同，无法预测网络交换机间切换所需时间，进而无法满足超可靠低延迟通信的要求的问题。

本发明的一实施例中，网络交换机是由两个网络交换装置所组成。依照客户需求，通过系统管理设定，两个网络交换装置可以设定为两个独立交换机，也即第一网络交换装置用以借由第一路径收发讯务、第二网络交换装置用以借由第二路径收发讯务；当两个交换装置的其中之一发生故障时，网络交换机会执行切换工作，如第一网络交换装置发生故障时，其相对低速适配卡板会被切换至第二网络交换设备上，继续收发讯务；反之亦然。

在本发明的另一实施例中，提供一种网络交换机，包含：

第一网络交换装置，用以借由第一路径收发讯务；以及

第二网络交换装置，耦接于所述第一网络交换装置，用以借由第二路径收发所述讯务，

当所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的其中一个故障时，所述网络交换机控制所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的另外一个收发所述讯务。

根据本案部分实施例，第一网络交换装置包含第一切换开关，第二网络交换装置包含第二切换开关，第一切换开关及第二切换开关用以控制由第一路径传送讯务到第一网络交换装置或由第二路径传送讯务到第二网络交换装置。

根据本案部分实施例，第一网络交换装置包含第一网络交换器，第二网络交换装置包含第二网络交换器，第一网络交换器及第二网络交换器借由第一路径或第二路径接收讯务，并将讯务中的封包资料与高速讯务中的高速封包数据经由第一网络交换器或第二网络交换器进行封包处理，以得到封包数据，然后进行转接交换传送到封包数据的目的地。

根据本案部分实施例，第一切换开关及第二切换开关还用以使讯务同时借由第一路径及第二路径同时传送到第一网络交换装置及第二网络交换装置。

根据本案部分实施例，第一网络交换装置包含第一处理器，第二网络交换装置包含第二处理器，第一处理器及第二处理器用以控制第一切换开关或第二切换开关切换为第一路径或第二路径，并根据设定信号控制第一切换开关及第二切换开关同时切换为第一路径及第二路径。

在本发明的另一实施例中，是将两个网络交换装置设定为互相进行保护切换的两个网络交换装置。在第一网络交换装置中某一个低速适配卡板中的某一个接口发生故障时，此接口会被切换至第二网络交换设备上，继续收发讯务。若是在第一网络交换装至中的低速适配卡板中数个接口发生故障时，也会同时被切换至第二网络交换装置。

在本发明的另一实施例中，通过第一路径传送讯务到第一网络交换装置或通过第二路径传送所述讯务到第二网络交换装置；以及当所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的其中一个故障时，控制所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的另外一个接收所述讯务。

根据本案部分实施例，通过第一切换开关或第二切换开关，控制由第一路径传送讯务到第一网络交换装置或由第二路径传送讯务到第二网络交换装置。

根据本案部分实施例，通过第一网络交换器或第二网络交换器，借由第一路径或第二路径接收讯务，并将讯务中的低速封包资料与高速讯务中的高速封包数据经由第一网络交换器或第二网络交换器进行封包处理，以得到封包数据，然后进行转接交换传送到封包数据的目的地。

根据本案部分实施例，通过第一切换开关或第二切换开关，使讯务同时借由第一路径及第二路径传送到第一网络交换装置及第二网络交换装置。

根据本案部分实施例，通过第一处理器或第二处理器，控制第一切换开关及第二切换开关切换为第一路径或第二路径，并根据设定信号控制第一切换开关及第二切换开关同时切换为第一路径及第二路径。

综上所述，两个网络交换装置，经由各自微处理器随时监控工作状况，必要时执行网络交换装置的硬件线路的切换，包含上行高速上行口/微处理器/交换器卡板的切换和低速适配卡板的切换，以达到电信等级的99.999％可靠度的要求的功效。

换言之，本发明的网络交换机及其操作方法将至少具有下述优点：

1、网络交换机借由双重架构实现电信等级的高信赖度、具有备用快速保护切换功能的高速网络交换器平台。

2、同时建构与卫星导航精准时钟同步的高速传输交换网络，具备IEEE 1588v2 1-step PTP封包同步协议与Sync E同步式网络架构功能。

3、在不正常状况发生时处理器能够实时沟通并立即做线路切换，确保网络不中断。

4、具有多种高度保护切换功能及使用弹性，可以依照不同环境的使用需求、建置成本考虑或高可靠度的要求，采用不同的操作模式满足单一系统或双备分系统的需求。

附图说明

图1示出了本发明一实施例的网络交换系统的示意图；

图2示出了本发明一实施例的网络交换机的功能方框图；

图3示出了本发明一实施例的网络交换机的详细功能方框图；

图4示出了本发明一实施例的网络交换机的操作示意图；

图5示出了本发明另一实施例的网络交换机的操作示意图；

图6示出了本发明又一实施例的网络交换机的操作示意图；

图7示出了本发明一实施例的网络交换机的操作方法流程图。

【主要元件符号说明】

10：网络交换系统

20：交流-直流电源转换电路板

30：直流-直流电源转换电路板

40：管理与卫星导航时钟信号接口电路板

50：风扇散热模块

H1：高度

L1：长度

W1：宽度

100：网络交换机

110a、110b：网络交换装置

120a、120b：低速接口电路

130a、130b：高速接口电路

121：低速界面收发器

122：切换开关

131：网络交换器

132：处理器

133：高速界面收发器

200：操作方法

S210、S220、S230：步骤

具体实施方式

在本文中所使用的用词『包含』、『具有』等等，均为开放性的用语，即意指『包含但不限于』。此外，本文中所使用的『及/或』，包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。

在本文中，当一组件被称为『连接』或『耦接』时，可指『电性连接』或『电性耦接』。『连结』或『耦接』也可用以表示两或多个组件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用『第一』、『第二』等用语描述不同组件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的组件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，也非用以限定本发明。

请参考图1，图1是戳了本发明一实施例的网络交换系统10的示意图。网络交换系统10由高度H1、长度L1及宽度W1的机框所装载，系统机框包含交流-直流(AC-DC)电源转换电路板20、直流-直流(DC-DC)电源转换电路板30、低速接口电路板120a、低速接口电路板120b、高速网络交换器/微处理器电路板130a、高速网络交换器/微处理器电路板130b、网络管理与卫星导航时钟信号接口电路板40、风扇散热模块50及高速信号转接电路背板。

如图1所示，网络交换系统10的机框设计为前方接取(front-access)设计，包括电源转换模块的热插入、低速接口电路板热插入、网络交换器及处理器电路板热插入、网络管理与卫星导航时钟信号接口电路板热插入及风扇模块热插入。

在一实施例中，高度H1、长度L1及宽度W1可以分别是2U高度(1U＝1机架单位＝1.75英寸)、10英寸长度及19英寸宽度，网络交换系统10的高度、长度及宽度不以上述为限，可以根据实际情况有所调整。电源转换电路板可以是交流-直流转换电路(AC-DC)或直流-直流转换电路(DC-DC)的任意组合。

请参考图2，图2示出了本发明一实施例的网络交换机100的功能方框图。网络交换机100包含网络交换装置110a及网络交换装置110b，网络交换装置110b耦接于网络交换装置110a。网络交换装置110a用以借由第一路径收发讯务(traffic)，网络交换装置110b用以借由第二路径收发讯务。网络交换装置110a包含低速接口电路120a及高速接口/交换器/微处理器电路130a，网络交换装置110b包含低速接口电路120b及高速接口/交换器/微处理器电路130b。当网络交换装置110a及网络交换装置110b的其中一个故障时，网络交换机100控制网络交换装置110a及网络交换装置110b两者中的另外一个接收输入的讯务，详细的操作将在后续描述。

请参考图3，图3示出了本发明一实施例的网络交换机100详细功能方框图。低速接口电路120a及低速接口电路120b各自包含低速接口收发器121及切换开关122。为了方便说明，图3只绘示6组低速界面收发器121及切换开关122，然而低速界面收发器121及切换开关122的数量不以此为限，可以根据实际情况有所调整。

低速接口收发器121用以收发讯务，切换开关122用以控制输入的讯务由第一路径传送到网络交换装置110a中高速接口电路130a或由第二路径传送到网络交换装置110b中的高速接口电路130b，每个切换开关122都各自包含可供输入的讯务传送的第一路径(如图中切换开关122内的左侧路径)及第二路径(如图中切换开关122内的右侧路径)。切换开关122根据网络交换机100的系统工作状况选择讯务传送路径是现用路径(第一路径)或备用路径(第二路径)。在一实施例中，切换开关122还用以使输入的讯务同时借由第一路径及第二路径传送到网络交换装置110a中的高速接口电路130a及网络交换装置110b中的高速接口电路130b。

在一实施例中，低速接口收发器121可以是10Gbps/25Gbps物理层接口收发器，具备IEEE 1588v2精准时钟同步功能以及支持多层网络协议运作模式。

高速接口电路130a及高速接口电路130b各自包含网络交换器131、处理器132及高速接口收发器133。网络交换器131用以借由第一路径或第二路径接收输入讯务，并将输入讯务中的封包数据与高速讯务中的高速封包数据传送交换。处理器132用以控制切换开关122切换为第一路径或第二路径，并根据设定信号控制切换开关122同时切换为第一路径及第二路径。

在一实施例中，网络交换器131可以是100G网络交换器，用以执行低速端(10Gbps/25Gbps)信号与高速端(100Gbps)信号之间的封包传送交换，具有网络第二层(数据链路层,Data Link Layer)交换功能及网络第三层(网络层,Network Layer)路由器功能，并支持虚拟网络架构(network functions virtualization,NFV)功能。

在一实施例中，高速接口电路130a及高速接口电路130b的网络交换器131都各有两个高速堆栈端口，例如是100Gbps堆栈端口，用来将两个网络交换器131堆栈组合，当高速接口电路130a的网络交换器131的高速接口端口产生壅塞现象时，一部分封包会经由高速接口电路130a的堆栈端口送往高速接口电路130b的网络交换器131，再经由高速接口电路130b的网络交换器131的高速接口端口往更上一阶层的网络交换设备传送。

在一实施例中，处理器132可以是中央处理器、微处理器或其他具有系统管理、监控、设定与维护功能的处理器，并具有IEEE 1588v2 1-step PTP(precision timeprotocol)精准同步时钟算法的运算功能，处理器132用于网络交换机100的保护切换条件的认定与执行。

在一实施例中，高速接口收发器133可以是100Gbps物理层接口收发器，以4组25Gbps数据流组成100Gbps讯务，具备IEEE 1588v2精准时钟同步功能以及支持多层网络协议运作模式。

请参考图4，图4示出了本发明一实施例的网络交换机100操作示意图。在正常操作下，网络交换机100经由低速接口电路120a或低速接口电路120b的低速接口收发器121接收输入讯务。借由切换开关122切换为第一路径，使低速接口电路120a中的输入讯务经由第一路径传送到高速接口电路130a，低速接口电路120b中的输入讯务经由第一路径传送到高速接口电路130b。

高速接口电路130a中的网络交换器131接收到输入讯务后，经过处理后传送到高速接口收发器133，经由高速接口收发器133往更上一阶层的网络交换设备传送。同样地，高速接口电路130b中的网络交换器131接收到输入讯务后，经过处理后传送到高速接口收发器133，经由高速接口收发器133往更上一阶层的网络交换设备传送。图4中，第一路径以实线表示输入讯务传送的路径，第二路径以虚线表示非输入讯务传送的路径。

请参考图5，图5示出了本发明另一实施例的网络交换机100操作示意图。当网络交换机100的端口故障时，例如高速接口电路130a的第2个端口故障，低速接口电路120a的第二个通道会经由第二个切换开关122由第一路径切换到第二路径，接着输入讯务经由第二路径传送到高速接口电路130b的第2个端口，使原本进入高速接口电路130a的第二个端口的输入讯务改变为经由第二路径传送到高速接口电路130b的第二个端口，之后由高速接口电路130b的网络交换器131完成后续操作。故障的端口数量不限于一个，当多个端口故障时，故障端口的对应的切换开关122都能够切换为第二路径完成后续操作。

相反地，当高速接口电路130b的端口故障时，低速接口电路120b的切换开关122也会有同样的操作，使原本进入高速接口电路130b的端口的输入讯务改变为经由第二路径传送到高速接口电路130a的端口，之后由高速接口电路130a的网络交换器131完成后续操作。

请参考图6，图6示出了本发明又一实施例的网络交换器131操作示意图。当网络交换机100中的网络交换器131故障时，例如高速接口电路130a中的网络交换器131故障，则低速接口电路120a中所有的切换开关122都会切换为第二路径，使进入低速接口电路120a的输入讯务都会经由第二路径传送到高速接口电路130b的端口，之后由高速接口电路130b中的网络交换器131完成后续操作。

相反地，当高速接口电路130b的网络交换器131故障时，低速接口电路120b中所有的切换开关122都会切换为第二路径，使进入低速接口电路120b的输入讯务都会经由第二路径传送到高速接口电路130a的端口，之后由高速接口电路130a中的网络交换器131完成后续操作。

在一实施例中，高速接口电路130a中的处理器132及高速接口电路130b中的处理器132之间以一个10Gbps网络信道连接，两个处理器132会互相备份各自运作时所有的参数，当保护切换动作发生时，可以立刻接管整个系统的运作。例如当高速接口电路130a中的网络交换器131故障时，高速接口电路130b中的网络交换器131能够接管整个系统的运作。

在一实施例中，网络交换机100可以提供使用者设定一比一的使用模式，当网络交换机10被设定为一比一的使用模式时，输入讯务由低速接口收发器121往网络交换器131传送时，只会选择一条路径到高速接口电路130a的网络交换器131或高速接口电路130b的网络交换器131。

在一实施例中，网络交换机100可以提供使用者设定一加一的使用模式，当网络交换机100由用户被设定为一加一的使用模式时，会发送设定讯号到网络交换机100的处理器132，处理器132会控制输入的讯务由低速接口收发器121往网络交换器131传送时，会同时送到高速接口电路130a的网络交换器131及高速接口电路130b的网络交换器131，处理器132会依据各种参数条件做判断，决定由哪个网络交换器131进行封包的接收、处理与转接。

在一实施例中，网络交换机100中所选用的组件，包含网络交换器131、高速接口收发器133、低速接口收发器121以及处理器132，都有支持IEEE 1588v2 1-Step PTP以封包格式为基础的同步网络精准时钟校准的功能。整个系统建构成一个同步式网络架构，经由处理器132通过IEEE 1588v2 1-Step PTP协议(protocol)找到最佳时钟讯号(best masterclock)来源，让整个系统进入精准同步时钟网络状态，符合第五代(5th generation,5G)行动通信网路的各项要求。

在一实施例中，低速接口收发器121及高速接口收发器133具有系统自我测试(insystem diagnostic Test)的讯号产生器与检验器，可以执行近端回接测试(near-endloopback test)、远程回接测试(far-end loopback test)及高速信号开眼图形监测(eyediagram monitoring)等功能。

在一实施例中，切换开关122具有时钟讯号撷取(clock recovery)信号再生(re-timing)、差动信号(differential signal pair)极性反转设定及随机信号(pseudo-random binary sequence,PRBS)产生器与高速信号开眼图形监测(eye diagrammonitoring)等功能，适用于系统测试与参数调整。

在一实施例中，网络交换系统10配备多重全球卫星导航系统(Multi-GNSS)接收器模块，可以接收美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(BeiDou)与欧盟的伽利略定位系统(Galileo)的信号，解调出1PPS(Pulse PerSecond)与10MHz精准信号，当作IEEE 1588v2 1-Step PTP精准时钟同步网络的参考信号源。

请参考图7，图7示出了本发明实施例的网络交换机的操作方法200流程图。为使图7所示的操作方法200易于理解，请同时参考图3。操作方法200包含步骤S210、步骤S220及步骤S230。步骤S210，通过第一路径传送输入讯务到网络交换装置110a或通过第二路径传送输入讯务到网络交换装置110b。步骤S220，当网络交换装置110a故障时，控制网络交换装置110b接收输入讯务。步骤S230，当网络交换装置110b故障时，控制网络交换装置110a接收输入讯务。

综上所述，网络交换机借由双重架构实现电信等级的高信赖度、具有备用快速保护切换功能的高速网络交换器平台。同时建构与卫星导航精准时钟同步的高速传输交换网络，具备IEEE 1588v2 1-step PTP封包同步协议与Sync E同步式网络架构功能。

此外，在不正常状况发生时处理器能够实时沟通并立即做线路切换，确保网络不中断。保护切换动作在同一系统之内，因此可以达到5G行动通信设备所要求的切换时间小于1毫秒。具有多种高度保护切换功能及使用弹性，可以依照不同环境的使用需求、建置成本考虑或高可靠度的要求，采用不同的操作模式满足单一系统或双备分系统的需求，机壳设计为前方接取设计对于空间受限的场所很大的帮助。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种网络交换机，其特征在于，包含：

第一网络交换装置，用以借由第一路径收发讯务；以及

第二网络交换装置，耦接于所述第一网络交换装置，用以借由第二路径收发所述讯务，

当所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的其中一个故障时，所述网络交换机控制所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的另外一个收发所述讯务。

2.根据权利要求1所述的网络交换机，其特征在于，所述第一网络交换装置包含第一切换开关，所述第二网络交换装置包含第二切换开关，所述第一切换开关及所述第二切换开关用以控制由所述第一路径传送所述讯务到所述第一网络交换装置或由所述第二路径传送所述讯务到所述第二网络交换装置。

3.根据权利要求2所述的网络交换机，其特征在于，所述第一网络交换装置包含第一网络交换器，所述第二网络交换装置包含第二网络交换器，所述第一网络交换器及所述第二网络交换器借由所述第一路径或所述第二路径接收所述讯务，并将所述讯务中的封包资料与高速讯务中的高速封包数据经由所述第一网络交换器或所述第二网络交换器进行封包处理，以得到封包数据，然后进行转接交换传送到所述封包数据的目的地。

4.根据权利要求3所述的网络交换机，其特征在于，所述第一切换开关及所述第二切换开关还用以使所述讯务同时借由所述第一路径及所述第二路径同时传送到所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置。

5.根据权利要求4所述的网络交换机，其特征在于，所述第一网络交换装置包含第一处理器，所述第二网络交换装置包含第二处理器，所述第一处理器及所述第二处理器用以控制所述第一切换开关或所述第二切换开关切换为所述第一路径或所述第二路径，并根据设定信号控制所述第一切换开关及所述第二切换开关同时切换为所述第一路径及所述第二路径。

6.一种网络交换机的操作方法，其特征在于，包含：

通过第一路径传送讯务到第一网络交换装置或通过第二路径传送所述讯务到第二网络交换装置；以及

当所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的其中一个故障时，控制所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置的另外一个接收所述讯务。

7.根据权利要求6所述的操作方法，其特征在于，还包含：

通过第一切换开关或第二切换开关，控制由所述第一路径传送所述讯务到所述第一网络交换装置或由所述第二路径传送所述讯务到所述第二网络交换装置。

8.根据权利要求7所述的操作方法，其特征在于，还包含：

通过第一网络交换器或第二网络交换器，借由所述第一路径或所述第二路径接收所述讯务，并将所述讯务中的低速封包资料与高速讯务中的高速封包数据经由所述第一网络交换器或所述第二网络交换器进行封包处理，以得到封包数据，然后进行转接交换传送到所述封包数据的目的地。

9.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于，还包含：

通过所述第一切换开关或所述第二切换开关，使所述讯务同时借由所述第一路径及所述第二路径传送到所述第一网络交换装置及所述第二网络交换装置。

10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征在于，还包含：

通过第一处理器或第二处理器，控制所述第一切换开关及所述第二切换开关切换为所述第一路径或所述第二路径，并根据设定信号控制所述第一切换开关及所述第二切换开关同时切换为所述第一路径及所述第二路径。

Images