CN112398761B - 网络交换单元模块、网络交换机及信道识别切换方法 - Google Patents

网络交换单元模块、网络交换机及信道识别切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网络交换单元模块、网络交换机及其信道识别切换方法，其中的网络交换单元模块包括控制器、交换处理芯片和连接器插座，控制器与交换处理芯片通信连接，所述控制器和交换处理芯片均通过连接器插座与外部通信连接；网络交换机外部机壳和所述网络交换单元模块，所述网络交换单元模块设置于所述外部机壳内部，所述网络交换单元通过连接器插座与设置于外部机壳上的连接器插头通信连接；信道识别切换方法采用硬件发送检测报文对网络交换机进行链路识别和优先级切换。本发明可灵活的进行控制系统的简单网络、冗余网络、复杂冗余网络等拓扑的组网设计，且维修更换方便快速。

Description

网络交换单元模块、网络交换机及信道识别切换方法
技术领域
本发明涉及网络交换领域，具体涉及一种网络交换单元模块、网络交换机及其信道识别切换方法。
背景技术
在现行特种领域控制系统中，网络交换机都是根据交换机所在控制系统的需求而深度定制的网络交换机，但采用的都是进口网络交换软硬件平台，核心器件受制于人、软件功能不透明，作为控制系统的核心设备使用，具有较大的信息安全风险。且不同的控制系统具有各自不同的功能要求、使用环境要求和特定的组网要求。每个控制系统的网络交换设备都需要单独投入大量的研发资源进行定制设计，产品完成生产后还需进行特定的环境试验，导致每个项目周期都非常长。冗长的研发周期和设备的唯一适配性已经不能满足国家战略发展的要求。另外，由于控制系统的设备都是特定设计，设备维修性差、不具备互换性，因此在执行任务的时候如果没有技术人员在现场，若出现任何故障，根本无法做到快速的维修和适配。
要想在特种领域中实现技术平台自主，并且缩短研发周期，提高设备的互换性和维修性，高速的响应控制系统更替升级的要求，就必须将设备产品化，用全国产软硬件平台的设备兼容满足大多数控制系统的技术要求。
因此，需要设计一款基于全国产软硬件平台的小型化网络单元模块，在模块级别就完成所有的环境试验验证，可根据不同的控制系统要求，仅仅通过给网络交换单元模块增加定制的结构件外壳就可以组合为不同形态的网络交换机而适用于不同的控制系统。
发明内容
基于现有技术中控制系统使用的网络交换机采用的进口软硬件平台，其兼容性差、信息安全风险较高、设备维修性差、不具备互换性等技术问题，本发明提供一种基于全国产软硬件平台的网络交换单元模块、网络交换机及其信道识别切换方法，以解决上述技术问题之一。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种网络交换单元模块，包括控制器、交换处理芯片和连接器插座；所述控制器与交换处理芯片通信连接，所述控制器和交换处理芯片均通过连接器插座与外部通信连接。
进一步的，所述连接器插座包括2个S6系列的集成连接器插座。
进一步的，所述控制器采用龙芯2H，且采用国产嵌入式实时操作系统BOS；所述交换处理芯片采用CTC5160。
进一步的，所述控制器与交换处理芯片通过PCI-E接口进行通信。
本发明还提供一种网络交换机，包括外部机壳和至少1个上述的网络交换单元模块，所述网络交换单元模块设置于所述外部机壳内部，所述网络交换单元通过连接器插座与设置于外部机壳上的连接器插头通信连接。
进一步的，所述网络交换机，包括至少2个网络交换单元模块时为冗余网络交换机，不同网络交换单元模块之间通过光口互联。
进一步的，每个网络交换单元模块均设置有若干配置位，由控制器的GPIO引出到连接器插座，用于确认当前网络交换单元模块在所有网络交换单元模块中的位置。
本发明还提供一种用于上述网络交换机的控制系统信道识别切换方法，包括以下步骤：
A1：在链路起来时，采用硬件机制发送和接收自定义协议报文，进行信道链路的自动识别，识别信道链路的类别和类型，每次链路断开并重新连接时重复A1；
A2：采用智能识别发送的方式，在端口缓存未使用的间隙，采用硬件机制发送和接受自定义协议报文，进行链路的速率和丢包测试；
A3：基于信道链路的类别、类型和实时速率及丢包情况，通过加权计算得出每个信道链路的实时优先级，并选取实时优先级最大的信道链路作为数据传输链路，其他链路作为备份链路；
A4：若当前数据传输的信道链路出现故障，将选取备份链路中优先级最高的信道链路作为数据传输链路，然后返回A2。
进一步的，步骤A3加权计算实时优先权的权重根据应用类型确定：若要求实时应用，则信道链路的低延迟的权重值最大；若要求稳定性的应用，则丢包率的权重值最大；若为普通应用，则高速率和丢包率的权重值最大。
进一步的，在步骤A3中，若人工预设有链路优先级，则按照人工预设的链路优先级为所有信道链路设置优先级值；若未进行人工预设链路优先级，则结合每条链路的丢包和速率测试结果设置优先级值。
有益效果
本发明的网络交换单元模块，可作为一台标准1U厚度的网络交换机使用，也可将其设置于定制机箱内组合为2U、3U等形态的网络交换机，并适配不同控制系统的网络交换机形态与接口需求；
本发明的网络交换机，通过使用不同数量的网络交换单元模块可灵活的进行控制系统的简单网络、冗余网络、复杂冗余网络等拓扑的组网设计；网络交换单元模块通硬件的配置位设计，可通过网络交换单元模块的嵌入式软件读取设备电路中GPIO的值，使网络交换单元模块具备网络拓扑自适应的功能和快速维修更换的功能，使得控制系统能在出现故障的时候可以直接更换新的网络交换单元模块，而不需要技术人员在现场重新配置、调试，达到了在控制系统中快速维修更换的功能；
在网络交换机的控制系统中增加信道识别切换方法，实现了链路自动识别和优先选路功能，解决了现有技术中多类型通信设备之间多种不同类型信道链路手动切换和同步慢的问题。
附图说明
图1为本发明实施例所述网络交换机的结构简图；
图2为本发明实施例中网络交换单元模块与外部机壳的连接示意图；
图3为本发明实施例中网络交换单元模块的简单组网示意图；
图4为本发明实施例中网络交换单元模块的冗余组网示意图
图5为本发明实施例中网络交换单元模块的复杂冗余组网示意图。
具体实施方式
本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例提供一种网络交换单元模块10，包括控制器、交换处理芯片和连接器插座；所述控制器与交换处理芯片通过PCI-E接口通信连接，所述控制器和交换处理芯片均通过连接器插座与外部通信连接。
其中，本实施例的网络交换单元模块选用国产软硬件平台：控制器CPU采用龙芯2H(面向安全适用计算机和通信设备设计的集成度的系统芯片)；交换处理芯片MAC采用盛科CTC5160，是盛科网络生产的第三代多功能、高性能的核心交换芯片，支持PCIe V2.0规范，单片支持48个1Gbps+8个10Gbps接口，支持二三层交换，能够满足企业网、运营商级以太网和包传输接入/汇聚网络需求。另外，网络交换单元模块采用国产嵌入式实时操作系统BOS(Basic Operate System)，是多CPU内核多任务实时操作系统，是网络交换单元模块软件体系结构的基础，其向下负责管理整个交换机的硬件体系结构，向上为各CPU内核上的应用程序提供了一个统一的运行平台。
本实施例的网络交换单元模块提供24个10/100/1000Mbps网口、8个10Gbps光口，还有GPIO配置口、电源输入等接口，因此连接器插座具体选用两个S6集成连接器插座实现。其中的S6集成连接器插座，是中航光电的一种“机柜框架矩形连接器”，是一种用于的控制系统设备连接的高可靠性集成连接器，S6为其中的一个系列。
本实施例的网络交换单元模块，采用小型化结构设计，外形尺寸不大于：420mm(宽)×43.6mm(高)×274mm(深)，前面板420mm(宽)×43.6mm(高)×5mm(厚)；前面板420mm(宽)×43.6mm(高)×5mm(厚)。在前面板上设置有状态指示灯，用于指示网络交换单元模块每路端口的工作情况和电源状态，左右两侧有两个拉手用于单元模块的插拔；网络交换单元模块前面板左侧设有一个配置管理口(用于连接管理口调试线，对网络交换单元模块进行软件配置和CPU等硬件管理)安装在小门内，此小门用2个M2.5x10的沉头螺钉固定，此固定方式能保证单元模块在振动冲击等恶劣环境下牢固可靠。
本实施例的网络交换单元模块，可作为一台标准1U厚度的网络交换机使用，可将其设置于定制机箱内组合为2U、3U等形态的网络交换机，并适配不同控制系统的网络交换机形态与接口需求。
实施例2：
本实施例提供一种网络交换机，包括外部机壳20和至少1个如实施例1所述的网络交换单元模块10，所述网络交换单元模块设置于所述外部机壳20的内部，所述网络交换单元通过连接器插座11与设置于外部机壳上的连接器插头21-1通信连接，从而通过连接器插头21-1的另一端外界连接器21-2与外界通信连接。其中，网络交换机内包括的网络交换单元模块的数量，以及外部机壳的大小，均可根据网络交换机所应用的控制系统来设置。
网络交换机内的网络交换单元具备灵活的组网功能：
对于不需高可靠性的控制系统，使用单个网络交换单元模块组成网络交换机，每个网络端口都连接单口设备，则可形成最简单的网络拓扑，如图3所示。
对于有冗余网络要求的控制系统，使用网络单元模块A和网络单元模块B，通过10Gbps光口互联，组成冗余网络交换机。有冗余网络需求的设备，同时连接网络单元模块A和网络单元模块B，形成冗余网络链路；无冗余网络需求的单口设备，连接网络单元模块A或网络单元模块B的任意端口，如图4所示，通过协议配置达到全网通信。
对于多节点有复杂冗余网络要求的控制系统，使用2个网络交换机单元模块通过10Gbps光口互联，组成冗余网络交换机1；另外再使用2个网络交换机单元模块通过10Gbps光口互联，组成冗余网络交换机2；将冗余网络交换机1和冗余网络交换机2通过光/电互联形成复杂的网络拓扑。有冗余网络需求的设备，与冗余网络交换机1或冗余网络交换机2的两个网络交换单元模块同时连接，形成冗余链路；无冗余网络需求的单口设备，连接网络交换单元模块的任意端口，如图5所示，最后通过协议配置达到全网通信。
在前文所述冗余组网的拓扑下，会使用多个网络交换单元模块进行组网构成冗余网络交换机，每个位置的网络交换单元模块都会有其唯一的功能配置用以完成其当前所在位置的工作任务。因此，本实施例中的每个网络交换单元模块均设置有若干配置位，由控制器的GPIO引出到连接器插座，用于确认当前网络交换单元模块在所有网络交换单元模块中的位置。具体实现方式为：在外部机壳的连接器插头设置配置位跳线，外界通过该跳线给每个GPIO配置位进行高低电平赋值。假设每个网络交换单元模块均设置有3个配置位，则有“000/001/010/011/100/101/110/111”8种组合，也就是在任意控制系统的网络拓扑环境中，最多可以设置8个位置给网络交换单元模块。网络交换单元模块放置到网络交换机的任何一个位置时，网络交换单元模块的嵌入式软件通过读取GPIO的值就可以识别自身在控制系统的什么位置，要实现什么样的功能，然后加载对应的功能配置以完成其当前所在位置的工作任务，达到实现网络拓扑自适应功能。而且，网络交换机中的所有网络交换单元模块可以任意互换，在有故障发生的时候也可以直接换新的网络交换单元模块，互换或者更换后会自动的适配到新位置的功能，而不需要技术人员在现场重新配置、调试，达到了在控制系统中快速维修更换的功能。
实施例3：
本实施例提供一种用于实施例2所述网络交换机的控制系统信道识别切换方法，包括以下步骤：
A1：在链路起来时，采用硬件机制发送和接收自定义协议报文，进行信道链路的自动识别，识别信道链路的类别(点对点，点对多点)和类型(高速率，低速率，高延迟，低延迟)，每次链路断开并重新连接时重复A1；
A2：采用智能识别发送的方式，在端口缓存未使用的间隙，采用硬件机制发送和接受自定义协议报文，进行链路的速率和丢包测试；
A3：基于信道链路的类别，类型和实时速率及丢包情况，通过加权计算得出每个信道链路的实时优先级，并选取实时优先级最大的信道链路作为数据传输链路，其他链路作为备份链路。
其中每项权重由应用类型决定：
实时应用：低延迟是最重要的权重值；
需要稳定性的应用：丢包率是最重要的权重值；
普通应用：选取高速率和丢包率作为最重要的权重值；
在计算每个信道链路的优先级值时：若人工预设有链路优先级，则按照人工预设的链路优先级为所有信道链路设置优先级值；若未进行人工预设链路优先级，则结合每条链路的丢包和速率测试结果设置优先级值；
A4：若当前数据传输的信道链路出现故障，将选取备份链路中优先级最高的信道链路作为数据传输链路，然后返回A2。
在现有的控制系统中，多种设备之间采用不同的通信信道进行通信，对于多链路信道的切换支持类型较少，需要人工手动切换来实现，或者可以在有限的数量、种类的链路进行切换，而这些信道实现的组网方式和拓扑存在较大差异(星型、树形、环形)。为保障多信道之间的按优先级进行自动智能选路，本实施例在网络交换机的控制系统中增加信道识别切换方法，实现了链路自动识别和优先选路功能，切换时间为200ms，比RSTP切换的1秒时间快了5倍，解决了现有技术中多类型通信设备之间多种不同类型信道链路手动切换和同步慢的问题。本实施例在步骤A1采用硬件机制进行信道链路检测，速度快且对CPU影响小，并采用邻居算法确定链路故障位置。同时实时对链路进行检测，在发现链路有丢包的情况降低其优先级，保证数据在优先级最高的链路上传输，提前避免了数据的丢失。可实现流量的负载均衡。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种网络交换机的控制系统信道识别切换方法，其特征在于，所述网络交换机包括外部机壳和至少1个网络交换单元模块，所述网络交换单元模块设置于所述外部机壳内部，所述网络交换单元通过连接器插座与设置于外部机壳上的连接器插头通信连接；所述网络交换单元模块包括控制器、交换处理芯片和连接器插座；所述控制器与交换处理芯片通信连接，所述控制器和交换处理芯片均通过连接器插座与外部通信连接；
所述信道识别切换方法包括以下步骤：
A1：在链路起来时，采用硬件机制发送和接收自定义协议报文，进行信道链路的自动识别，识别信道链路的类别和类型，每次链路断开并重新连接时重复A1；
A2：采用智能识别发送的方式，在端口缓存未使用的间隙，采用硬件机制发送和接受自定义协议报文，进行链路的速率和丢包测试；
A3：基于信道链路的类别、类型和实时速率及丢包情况，通过加权计算得出每个信道链路的实时优先级，并选取实时优先级最大的信道链路作为数据传输链路，其他链路作为备份链路；
A4：若当前数据传输的信道链路出现故障，将选取备份链路中优先级最高的信道链路作为数据传输链路，然后返回A2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A3加权计算实时优先权的权重根据应用类型确定：若要求实时应用，则信道链路的低延迟的权重值最大；若要求稳定性的应用，则丢包率的权重值最大；若为普通应用，则高速率和丢包率的权重值最大。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A3中，若人工预设有链路优先级，则按照人工预设的链路优先级为所有信道链路设置优先级值；若未进行人工预设链路优先级，则结合每条链路的丢包和速率测试结果设置优先级值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接器插座包括2个S6系列的集成连接器插座。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器采用龙芯2H，且采用国产嵌入式实时操作系统BOS；所述交换处理芯片采用CTC5160。
6.根据权利要求1所述的信道识别切换方法，其特征在于，所述控制器与交换处理芯片通过PCI-E接口进行通信。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络交换机包括至少2个网络交换单元模块时为冗余网络交换机，不同网络交换单元模块之间通过光口互联。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个网络交换单元模块均设置有若干配置位，由控制器的GPIO引出到连接器插座，用于确认当前网络交换单元模块在所有网络交换单元模块中的位置。
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