CN114885115A - 一种通信线路自动切换装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种应用于通信行业用户端的电子设备，主要包括切换控制器及控制软件，交换芯片，电子开关，互联网IP接口，局域网接口和专线接口，用于优化通信质量，实现专线连接和互联网连接的自动切换；本装置优先使用专线连接，在专线连接已建立时，本装置通过内部设计的互联网连接路径，使用户仍能保持与互联网云端服务器连接，使用本装置用户既能体验到专线的高质量，又能方便地使用互联网的丰富资源。

Description

一种通信线路自动切换装置

技术领域

本申请涉及通信领域，具体涉及一种用于优化宽带通信质量的通信线路自动切换装置及方法，主要包括切换控制器，交换芯片，电子开关，互联网IP接口，局域网接口和专线接口，用于优化通信质量，实现专线连接和互联网连接自动切换。

背景技术

通信行业经过数十年高速发展，目前语音和宽带数据通信增速有所下滑，几大细分行业增长乏力，而视频会议却成为通信市场的一大亮点，尤其是新冠疫情爆发以来，国内外视频会议业务都呈现出爆发式增长，专家预计，视频会议将成为中国统一通信市场的主要推动力，并保持快速增长，特别是以中小企业为主的新势力崛起，将会为市场带来更多的机遇。

多年来，政府和大型企业一直是国内视频会议的主力市场，其应用模式也以传统的专线视频会议为主； 而最近几年，视频会议向中小企业的延伸越来越快，广大的中小企业正在逐步成为视频会议市场的主力军。

专线视频会议的组网结构如附图1所示，需要用户自己部署MCU，虽然图像质量很高，但MCU需要用户自己部署，并要求专业技术人员维护，硬件成本高昂，部署繁琐，很难在大量的中小型企业普及； 云视频方案采用大型MCU，布置在IDC机房，用户不用安装MCU，使用非常方便，云视频会议的组网结构如附图2所示；云视频会议虽有使用成本低，部署方便快捷的优点，但由于其视频数据流和音频数据流通过IP网传输，图像质量比较差，经常出现卡顿、中断的情况。

用户可以向运营商申请开通专线，然后使用本申请的通信装置，本装置通过内部设计的专用通信路径，使用户与目标用户之间的内部通信通过专线实现，从而提升视频质量，同时又能使用户及目标用户与互联网云端的MCU设备处于接通状态，视频会议的控制信令通过互联网与云端的MCU设备传送，可以使用云端的MCU，而不必自己再安装MCU设备，这样可以大大降低设备成本和维护使用成本。视频会议终端与MCU之间的数据主要是控制信令，控制信令数据流量小，占用带宽小，对时延也不敏感，控制信令通过互联网传输，并不会影响用户与目标用户之间的视频质量。

除此之外，工业远程控制、遥操作、远程视频监控、视频通话等应用也都对通信质量提出了更高的要求，这类应用要求低时延，持续稳定的高带宽，低误码率，同时又能通过云端服务器方便的控制和使用，对于这一类应用需求，本申请也是一种良好的解决方案。

发明内容

本申请旨在提供一种通信线路自动切换装置，以解决现有云视频会议图像质量低，容易卡顿、中断的问题。

为了实现所述目的，本申请实现一种通信线路自动切换装置，包括：

切换控制器，用于自动控制位于从端设备互联网IP接口与交换芯片之间的电子开关的接通和断开；可通过软件设置为主端设备或从端设备，从端设备接受主端设备的控制，主端设备中的切换控制器可以远程控制从端设备的工作状态；

交换芯片，用于实现互联网IP接口、专线接口、切换控制器网络接口、局域网接口之间的数据交换；

电子开关，此电子开关一端连接交换芯片，另一端连接互联网IP接口，此电子开关可由切换控制器设置为接通和断开两种状态，用于实现从端与外网连接模式的切换，当电子开关接通时，从端工作于互联网连接模式，当电子开关断开时，从端工作于专线连接模式；

互联网IP接口，用于主端设备或从端设备与互联网外网连接；

局域网接口，用户的网络设备（比如视频会议设备）接入本申请设备的局域网接口；

专线接口，用于用户与目标用户之间的高质量专线连接（或称为主端用户与从端用户之间的高质量专线连接）。

优选的，本装置内部包含两个外网通信接口和一个或多个局域网接口， IP接口用于普通通信质量的互联网连接， 专线接口用于用户与目标用户之间的高质量专线连接，局域网接口用于连接用户的网络设备。

优选的，本装置内部包含切换控制器，可通过软件设置为主端设备或从端设备，从端设备接受主端设备控制，主端设备中的切换控制器可以远程控制从端设备的工作状态。

优选的，本装置内部包含电子开关，此电子开关一端连接交换芯片，另一端连接互联网IP外网接口，此电子开关可由切换控制器设置为接通和断开两种状态。

优选的，本装置包含切换控制器，切换控制程序嵌入在切换控制器中，执行以下步骤：

步骤1：当专线连接断开时，主端设备和从端设备的互联网IP接口的电子开关都设置为接通状态，连接在主端设备局域网接口上的网络设备和连接在从端设备局域网接口上的网络设备都通过互联网IP接口与互联网连接；

步骤2：当专线连接接通以后，主端设备和从端设备中的程序会自动发现专线接通，主端的切换控制器就会向从端切换控制器发送指令，控制从端的互联网IP接口上的电子开关设置为断开状态，连接在主端局域网接口的网络设备与连接在从端局域接口的网络设备之间的通信，则会直接通过专线实现；

步骤3：当专线连接再次断开时，从端设备中的程序会控制从端设备互联网IP接口上的电子开关设置为接通状态，从端设备局域网接口自动恢复到通过互联网IP接口与互联网外网连接。

优选的，主端设备提供两种设备形态，一种是只提供点对点功能的基本设备形态，这种主端设备只有一个专线接口，只提供点对点专线连接，一个主端设备只能连接一个从端设备；另一种是支持多方会议功能的增强型主端设备形态，增强型主端设备具有多个专线接口，通过多个专线接口连接多个从端设备，实现点对多点连接，具有支持多方会议的功能，在多方会议的情况下，通过本装置内部设计的互联网连接路径，连接在每个从端设备局域网接口的网络设备，以及连接在主端设备局域网接口的网络设备仍能保持与互联网接通，仍能使用互联网云端资源；

本装置可通过软件设置为主端设备或从端设备，比如位于本地的总部设置为主端设备，位于外地的分公司或子公司设置为从端设备，主端设备会主动地向从端设备发送联络请求消息，从端设备接收到联络请求消息后，向主端设备回送联络成功消息，主端设备接收到从端设备的联络成功消息后，表明专线已接通。

本装置的IP互联网接口与内部交换芯片之间设置了一个电子开关，专线一旦接通，主端的切换控制器就会向从端切换控制器发送指令，控制从端的IP互联网接口上的电子开关设置为断开状态，使从端设备断开与IP互联网的连接，这时从端设备的网络主机设备通过专线连接到主端的交换芯片，然后通过主端的IP互联网接口连接互联网外网，而主端设备与从端设备之间的通信连接，则会直接通过专线建立，相当于主端设备与从端设备通过专线连接建立了一个临时的私有网络，这样主端设备与从端设备之间的数据流走的是专线路径，主端设备与从端设备之间的通信数据不会从IP互联网接口输出到互联网外网，这样就保证了主端设备与从端设备之间的通信路径最短且唯一，这个路径是通过专线互联的，所以通信质量非常高；由于主端设备与从端设备之间的通信通过两端之间的临时私网实现，就保证了主端设备与从端设备之间的通信难于被黑客攻击，从而保证了通信的安全性。

从端设备还保留了一条与互联网外网的通信路由，这条通信路由依次通过从端设备内部交换芯片，到专线线路，再到主端交换芯片，再从主端设备的IP互联网外网接口连接互联网，从端设备的控制信令和控制数据通过这条路径与互联网相连接，这样位于外网的云端服务器MCU或其它控制设备仍能对连接在主端设备或从端设备局域网接口上的网络设备实现控制，这样就保证了主端用户与从端用户仍能享受到互联网所带来的便利和丰富资源，由于控制信令和控制数据的数据量较小，对通信质量要求较低，所以不会对主端与从端两端之间的内部通信质量造成影响。

通过实施本发明可以取得以下有益的技术效果：用户可以向电信运营商申请专线线路，用以提升用户与目标用户（比如位于本地的总部与位于外地的分公司或子公司之间）的视频会议质量，但不必购买和搭建昂贵而复杂的MCU设备，省去了大量繁琐而复杂的维护工作，采用廉价的云视频服务就可以实现高质量的视频会议，安装时间大幅度缩短，采购成本和使用成本大幅度降低，也大大提高了使用的便利性。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请中所需要使用的附图作简单地介绍。

附图说明

图1为专线视频会议的组网结构图；

图2为云视频会议的组网结构图；

图3为低质量互联网模式工作示意图；

图4为高质量专线模式工作示意图；

图5为一个增强型主端多个从端的网络结构图；

图6为主端设备程序流程图；

图7为从端设备程序流程图；

图8为通信线路自动切换装置内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本装置的通信连接方式分为低质量的互联网连接方式和高质量的专线连接方式，下面分别说明：

互联网连接方式

如附图3所示，用户A和用户B都各自通过路由器与IP互联网连接，处于低业务质量模式； 这时电子开关2和电子开关10处于连接状态，专线6处于断开状态， 用户A的视频会议设备3依次通过用户A交换芯片4,电子开关2，用户A互联网IP接口1连接IP互联网；用户B的视频会议设备9依次通过用户B交换芯片8，电子开关10，用户B互联网IP接口11连接IP互联网； 这时用户A与用户B之间的专线连接6是断开的； 在这种情况下，如果用户A与用户B开展视频会议，则用户A的视频会议设备3与用户B的视频会议设备9是通过IP互联网通信的，由于IP互联网业务质量不能保证的缺点，视频质量比较差，容易出现图像模糊，卡顿等现象。

专线连接方式

如附图4所示，当用A与用户B之间的专线接通，专线连接6处于接通状态，这时用户A与用户B处于高质量专线连接方式； 在这种工作方式下，电子开关2和专线线路6处于连接状态，电子开关10处于断开状态；用户A的视频会议设备3与用户A交换芯片4相连，再与用户A专线接口5，专线6相连，依次再连接用户B的专线接口7，用户B交换芯片8，最终连接用户B视频会议设备9；这时用户A与用户B之间相当于通过专连接建立了一个高质量的私有网络。

专线模式下，用户A与用户B之间的业务通道

这时电子开关10处于断开状态，用户B的视频会议设备9与用户B互联网IP接口11处于断开状态，用户B的视频会议设备9与IP互联网的直连通道是断开的；用户B的视频会议设备9的业务数据流，比如视频码流和声音码流，只能通过以下依次连接的数据通道相连：分别为用户B交换芯片8，专线接口 7，专线连接6，专线接口5，用户A交换芯片4，用户A视频会议设备3，由于这条数据通道是通过专线连接的，通信质量非常好，这样用户A与用户B的业务质量得到了保证，画面清晰流畅，达到专线视频会议的质量。

专线模式下，用户A与用户B与云端MCU之间的通信路径

用户A的视频会议设备 3通过用户A交换芯片4，电子开关2，用户A互联网IP接口1与IP互联网相连,视频会议的控制设备MCU部署在IP互联网云端, 用户A的视频会议设备3通过IP互联网实现了与云端的视频会议控制设备MCU的数据连接。

用户B的视频会议设备9的数据，依次通过用户B交换芯片8，专线接口 7，专线连接6，专线接口5，用户A交换芯片4，电子开关2，用户A互联网IP接口 1，IP互联网13，与云视频会议MCU设备12连接。

在专线连接状态下，用户A和用户B也都与视频会议的MCU设备11,通过IP互联网连接，用户A 与用户B的控制信令通过IP互联网与云端的视频会议MCU设备处于连通状态，控制信令仍可以正常传送，位于云端的MCU仍可以控制用户A的视频会议设备3和用户B的视频会议备9，而控制信令对通信质量的要求较低，数据流量较小，对通信时延不敏感，并不会影响用户A与用户B之间的图像和声音质量，这样就具有了云视频会议使用简单方便、容易部署的优点，同时兼有专线会议视频的高质量。

本装置在广域网专线是自动专线的情况下，优势尤其突出，自动专线是一种端对端的专线设备，这种专线技术经过改进和发展，带宽加大，并能自动连接专线网络中的任意用户； 自动专线可以以2兆带宽为单位叠加，从而实现4兆至数十兆以上的专线宽带连接，图像清晰度和流畅度得到完全保障，用户A和用户B只要任意一方拨通对方的号码，专线就能自动接通，这种专线只在使用时计费，视频会议结束后，可以挂断专线连接，这样可以大幅度节约使用费用。

为了实现用户A和用户B电子开关的协同动作，本装置设计有切换控制器，如附图8所示，切换控制器之间通过切换控制器网络接口 16相连；切换控制器网络接口是专用于切换控制器之间互相传送控制信号的通信接口，本装置可由软件设定为主端或从端，如附图4所示，比如用户A设定为主端，用户B设定为从端，用户A的切换控制器设置自身的电子开关2为接通状态，专线接口与可编程FPGA之间的专线控制信号中，包含有专线连接指示信号，当专线接通以后，专线模块就会感知专线线路上有有效的专线信号，专线连接指示信号会变为有效，通过FPGA芯片的处理，向切换控制器15发送专线连接建立信号，这时会产生以下步骤：

用户A的切换控制器15向用户B的切换控制器16发送控制指令，命令用户B的切换控制器16设置用户B的电子开关10为断开状态，

用户B的切换控制器16从切换控制器网络接口接收用户A的切换控制器发来的指令，将电子开关10设置为断开状态，使用户B与互联网连接断开，启用专线线路。

当专线使用完毕，专线连接6断开，用户A的切换控制器15和用户B的切换控制器16失去联络，专线模块发出的专线有效信号变为失效状态，这时用户A的电子开关2仍为接通状态，用户B的切换控制器16设置自身的电子开关10为接通状态，用户A通过互联网IP接口1与互联网连接，用户B通过互联网IP接口 11与互联网连接，用户A与用户B的工作模式退回到低质量的IP互联网连接模式。

对于用户B来说，当有专线线路时，优先使用专线，保证视频质量，当用户B与没有专线线路的其它用户接通视频会议时，本申请设备会自动使用IP互联网模式通信，这时虽然通信质量较低，但仍是可以进行通信的，不必要重新布置和连接网络，省去了很多麻烦，增加了便利性；同样道理，对于用户A来说，与有专线线路的用户接通视频会议，优先使用专线，当与没有专线线路的其它用户接通视频会议，可以使用低质量的互联网模式。

当需要开展多方会议时，主端设备需要采用支持多方会议的增强型主端设备，增强型主端设备可以连接多个从端设备，这时主端设备采用附图5的实施方案，从交换芯片4的扩展接口，连接一个多端口数的扩展以太网交换芯片41，再连接多个专线接口62、63等，每个专线接口可以连接一个从端用户，通过这种方式，可以实现大型的临时私有网络；此处交换芯片和扩展交换芯片也可以合并成一个多端口数的单一交换芯片，这样可以提高集成度，原理与附图5所示基本相同。

此处以视频会议为例说明本申请设备的实现原理，但本设备并不仅仅应用于视频会议，其它对通信质量有较高要求的业务，比如远程控制，遥操作，远程医疗，视频通话等业务，本申请设备也是适用的，本申请设备应用于这些场景也受专利保护。

为了满足一个主端，多个从端的组网需求，本装置的切换控制器的主处理器采用TCP/IP协议，硬件包含一片XILINX公司的FPGA芯片,一片ARM处理器， ARM处理器包含以下功能模块：

（1）主处理器模块

主要由主处理器、数据及程序存储器等器件构成。 主处理器模块完成的功能主要有：通过以太网建立数据链路；通过对以太网控制芯片的读写控制来实现对ip数据包的接收与发送。

（2）以太网接口及控制模块

这个模块主要由以太网接口部分和以太网控制部分构成； 以太网控制部分由接收电路和发送电路组成，在他们之间还有以太网状态检测和控制单元，以及收发协调控制器。以太网状态检测单元实时监视以太网的状态，并对以太网接口单元进行控制，协调内部收发电路的工作状态。

主处理器内部集成 arp，ip，tcp， icmp，udp，dns，WEB server等协议，网络的工作模式可通过WEB页面设置为TCP SERVER,TCP CLIENT ,UDP三种工作方式；

TCP SERVER工作模式：在该工作方式下，控制器作为tcp服务器端， 在指定的tcp端口上监听TCP连接请求；

TCP CLIENT工作模式：在该工作方式下，切换控制器作为 tcp 客户端，主动向TCP服务端发送连接请求。

一般情况下，从端设备工作模式设置为TCP SERVER,主端设备工作模式设置为TCPCLIENT;在业务开通前，由网络管理人员或工程施工人员通过WEB页面设置主端设备和从端设备的默认IP地址和工作端口号，并在主端设备WEB页端设置从端设备数量和各个从端设备切换控制器的IP地址和端口号；专线接通以后，主端设备中运行的TCP/IP协议就会主动连接从端设备,并与从端设备建立TCP连接，当TCP连接建立成功以后，主端设备就会通过轮询协议与各个从端设备联络，轮询协议是应用层协议，建立在TCP/IP层之上。

主端程序流程

主端设备采用轮询方式与各个从端设备联络，程序流程图如附图6所示，主端设备一旦接收到某个从端设备的联络回复消息，就向这个从端设备发送置这个从端设备的电子开关10为断开状态的指令；然后逐一向下一个从端设备发送置电子开关10为断开状态的指令，直到置所有从端设备的电子开关10为断开状态，使所有能联系得上的从端设备都通过专线与主端设备相连。

从端程序流程

从端设备处于侦听状态，程序流程图如附图7所示，从端设备程序上电时，置自身电子开关10为闭合状态，默认与互联网外网直接接通，处于互联网连接模式，然后侦听主端设备发来的联络消息和指令，如果没有接收到主端设备发来的消息和指令，则处于等待状态，一旦接收到主端设备发来的置自身电子开关10断开的指令，则设置自身电子开关10为断开状态，设置自身工作状态为专线连接模式；如果没有接收到主端设备发来的联络消息，就启动计数器M，处于等待接收状态，当计数器M的计数值大于设定值时，则表明与主端设备的专线连接已断开，则从端设备设置自身电子开关10为闭合状态，设置自身工作模式为互联网连接模式。

用户A交换芯片和用户B交换芯片采用以太网交换芯片，电子开关2和电子开关10有两种实现方案，方案一使用交换芯片的MII或RMII接口，交换芯片的MII接口或RMII接口连接可编程器件FPGA，然后再通过PHY芯片转换成以太网，电子开关在FPGA中实现； 方案二是采用高速双向CMOS模拟开关，模拟开关的控制端由切换控制器的I/O口控制，模拟开关一端连接到交换芯片的PHY引脚上，另一端连接到互联网IP接口上，这种方案的缺点是切换速度较慢，因为PHY信号接通以后，会有一个协商过程，这个过程一般需要几十毫秒至几百毫秒的时间。

专线接口5和专线接口7是用于光纤专线连接的通信接口，可由专线模块提供，专线模块可以集成于本申请设备内，也可以外置，专线模块实现专线协议到以太网协议的变换和适配；专线线路一般通过PDH,SDH，SPON，MSTP，MPLS，PTN等设备提供，其中PDH,SDH,SPON,MSTP线路通信质量最高，这几类设备一般还需要通过E1转以太网的协议转换器，把E1接口转换为以太网接口，其中尤其多E1口协议转换器性能较佳，这类协议转换器可以将多个E1口的带宽聚合，带宽以2兆为单位叠加，以获得更高的通信带宽，协议转换器可以集成在本申请设备内，也可以外置。

以上所述仅为本申请的具体实施例，但本申请的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本申请的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本申请的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种通信线路自动切换装置，包括切换控制器、交换芯片、电子开关、互联网IP接口、专线接口、局域网接口，用于实现专线连接和互联网连接的自动切换；当本装置发现专线连接接通的情况下，会自动切换为专线连接方式，连接在用户和目标用户局域网接口的网络设备通过专线通信，在专线连接方式下，本装置通过内部设计的互联网连接路径，使连接在局域网接口的网络设备仍能接通互联网，用户仍可以使用互联网云端资源。

2.如权利要求1所述一种通信线路自动切换装置，其特征在于本装置内部包含两种外网通信接口和一个或多个局域网接口，两种外网通信接口分别为IP接口和专线接口， IP接口用于普通通信质量的互联网连接， 专线接口用于用户与目标用户之间的高质量专线连接，局域网接口用于连接用户的网络设备。

3.如权利要求1所述一种通信线路自动切换装置，其特征在于本装置内部包含切换控制器，切换控制器通过软件设置为主端设备或从端设备，从端设备接受主端设备的控制，主端设备中的切换控制器远程控制从端设备的工作状态。

4.如权利要求1所述一种通信线路自动切换装置，其特征在于本装置内部包含电子开关，此电子开关一端连接互联网IP接口，电子开关由控制软件设置为接通和断开两种状态，用于控制接通和断开互联网IP接口。

5.如权利要求1所述一种通信线路自动切换装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当专线连接断开时，主端设备和从端设备的互联网IP接口的电子开关都设置为接通状态，连接在主端设备局域网接口上的网络设备和连接在从端设备局域网接口上的网络设备都通过互联网IP接口与互联网接通；

步骤2：当专线连接接通时，主端设备和从端设备中的程序发现专线接通，主端的切换控制器就会向从端切换控制器发送指令，控制从端的互联网IP接口上的电子开关设置为断开状态，连接在主端局域网接口的网络设备与连接在从端局域接口的网络设备之间的通信，则会直接通过专线实现；同时连接在从端局域网接口的网络设备仍能通过内部设计的连接路径与互联网外网接通，连接在主端局域网接口的网络设备也能通过内部连接路径与互联网外网接通，主端和从端的网络设备仍能使用互联网云端资源；

步骤3：当专线连接再次断开时，从端设备中的程序会控制从端设备互联网IP接口上的电子开关设置为接通状态，从端设备局域网接口自动恢复到通过互联网IP接口与互联网接通。

6.如权利要求1所述一种通信线路自动切换装置，其特征在于，主端设备提供两种设备形态，一种是只提供点对点功能的基本设备形态，这种主端设备只有一个专线接口，只提供点对点专线连接，一个主端设备只能连接一个从端设备；另一种是支持多方会议功能的增强型主端设备形态，增强型主端设备具有多个专线接口，通过多个专线接口连接多个从端设备，实现点对多点连接，具有支持多方会议的功能，在多方会议的情况下，通过本装置内部设计的互联网连接路径，连接在每个从端设备局域网接口的网络设备，以及连接在主端设备局域网接口的网络设备仍能保持与互联网接通，仍能使用互联网云端资源。

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