CN115314168A - 一种以太网传输数据的冗余系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网传输数据的冗余系统，包括发送端冗余模块、传输模块和接收端冗余模块。本发明在以太网物理层芯片与传输模块之间加入了多通道SerDes高速Fanout Buffer模块和多通道Serdes高速复用选择器，提高了信号质量，确保信号完整性，极大提高了以太网主机的稳定性；可通过更改多通道SerDes高速Fanout Buffer模块和多通道Serdes高速复用选择器的通道数，来实现自由冗余通道数，提高了冗余的灵活性；减少了以太网冗余方案复杂度，可由常规的多套设备减为1台设备即可实现冗余方案。

Description

一种以太网传输数据的冗余系统

技术领域

本发明涉及以太网数据传输技术领域，具体是一种以太网传输数据的冗余系统。

背景技术

以太网是一种局域网，用于进行计算机互联。它已是一种成熟的技术，最初是施乐(Xerox)公司的Robert Metcalfe于1973年发明的。Robert Metcalfe发明的第一个以太网以2.94Mbps速度运行，而第一个广泛采用的以太网技术以10Mbps速度运行。自此之后至今，以太网的速度翻了上千倍甚至更多。以太网已经成为国际电气电子工程师学会(IEEE)标准，并冠以IEEE的名义发布。最初的IEEE802.3工作组于1983年通过了草案，并于1985年出版了官方标准ANSI/IEEE Std 802.3-1985。从此以后，随着技术的发展，该标准进行了大量的补充与更新，以支持更多的传输介质和更高的传输速率等，现以太网已成为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

现在常规的以太网分类已包含多种。常见的有标准以太网通信速率10Mbps吞吐量：通信介质主要有10Base-5、10Base-2、10Base-T、10Broad-36、10Base-F等；快速以太网通信速率100Mbps吞吐量：通信介质主要有100Base-TX、100Base-FX、100Base-T4；千兆以太网通信速率1000Mbps吞吐量：通信介质主要有1000Bsae-T、1000Bsae-SX、1000Bsae-LX、1000Bsae-LX10、1000Bsae-LHX、1000Bsae-ZX、1000Bsae-CX；万兆以太网通信速率10Gbps吞吐量：通信介质主要有10GBsae-CX4、10GBsae-SR、10GBsae-LX4、10GBsae-LR、10GBsae-ER、10GBsae-SW、10GBsae-LW、10GBsae-EW、10GBsae-T；除此以外，在基于以太网通信标准的基础上还有更高的光通信速率以及100Gbps。

针对目前工业应用领域最常用的千兆以太网1000Base-X接口即SFP接口，已非常广泛的应用于各种工业环境。工业应用中能源电力、交通物流、石油石化等行业对以太网通信有很高的要求，以太网通信冗余方案应运而生。目前常规的以太网冗余方案是收与发端各采用两台以太网主机做主备冗余使用，这种方案造成了很高的应用成本及技术设备损失。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提供一种以太网传输数据的冗余系统，在两端主机本身设计上采用多通道冗余设计，只需要在两端之间的传输模块增加多个传输通道，比如某个外部传输通道损坏即可通过另外一个通道来获取传输数据，极大的提高了系统稳定性及运营成本。本发明技术方案如下：

一种以太网传输数据的冗余系统，包括发送端冗余模块、传输模块、接收端冗余模块。

所述发送端冗余模块包括第一以太网物理层芯片、第一AC耦合电容、多通道SerDes高速Fanout Buffer模块和第一多通道标准光传输接口；

所述传输模块包括发送端传输模块和接收端传输模块，发送端传输模块和接收端传输模块均包括多路以太网标准传输模块和介质；

所述接收端冗余模块包括第二以太网物理层芯片、第二AC耦合电容、第二多通道标准光传输接口、多通道Serdes高速复用选择器和复用器通道选择主控模块；

通信时，所述第一以太网物理层芯片通过其发送端将Serdes信号经所述第一AC耦合电容传输给所述多通道SerDes高速Fanout Buffer模块；

所述多通道SerDes高速Fanout Buffer模块将所述Serdes信号经过逻辑处理并中继扩展为一进多出的Serdes信号，且输出的每一路所述Serdes信号分别传输给与其相连的所述第一多通道标准光传输接口；

所述第一多通道标准光传输接口将接收到的所述Serdes信号经过与其相连的所述发送端传输模块的以太网标准传输模块，所述以太网标准传输模块将所述Serdes信号转换成光信号后经所述介质传输给对应的所述接收端传输模块的以太网标准传输模块，所述接收端传输模块的以太网标准传输模块将所述光信号转换成Serdes信号后传输给对应的所述第二多通道标准光传输接口，所述第二多通道标准光传输接口将接收到的所述Serdes信号传输至所述多通道Serdes高速复用选择器的输入端；

所述复用器通道选择主控模块调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入传输通道信号至其共同输出端，所述多通道Serdes高速复用选择器将所述通道信号经过第二AC耦合电容传输给所述第二以太网物理层芯片。通道选择主控模块可采用两种方式来调节选择某一路通道：轮询方式和中断方式。

进一步地，所述复用器通道选择主控模块依据自身轮询方式调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一个输入通道传输通道信号至其共同输出端，具体是：所述复用器通道选择主控模块通过自身轮询方式切换各个通道上的传输数据作为所述接收端冗余模块的主控接收数据，本身系统通过数据分析来选择并处理接收到的数据。

进一步地，所述复用器通道选择主控模块依据外部中断方式信号调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入传输通道信号至其共同输出端，具体是：通过所述中断信号来触发所述复用器通道选择主控模块控制切换所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入信号至其共同输出端。

进一步地，所述外部中断信号是根据所述第二多通道标准光传输接口处是否有光信号产生的，或是根据所述第二多通道标准光传输接口的LOS和MOD-DEF信号来产生的。

所述第二多通道标准光传输接口依据其标准规范，当有所述以太网标准传输模块插入时MOD-DEF会拉低产生低电平信号，进而将所述低电平信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断选择此通道；反之，当以太网标准传输模块损坏或未插入以太网标准传输模块时MOD-DEF是高电平信号，进而将所述高电平信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断此通道故障，避开选择此通道的数据信号。当有以太网标准传输模块插入亦有介质，但传输损耗严重通常为以太网标准传输模块老化或介质老化，致使光信号损耗大产生衰减，此时LOS信号为高电平，进而反馈给所述复用器通道选择主控模块判断此通道故障，避开选择此通道地数据信号；反之传输通道正常时LOS信号为低电平，进而将此信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断选择此通道。

进一步地，在所述发送端冗余模块端增加一所述接收端冗余模块，在所述接收端冗余模块端增加一所述发送端冗余模块端，实现双向数据传输。

进一步地，所述信号发送主控复用器通道选择主控模块为所述接收端冗余模块的主控单元，通出采用CPU、DSP、FPGA等作为处理器，用于操作所述多通道Serdes高速复用选择器。

进一步地，所述以太网标准传输模块为标准光模块。

进一步地，所述第一多通道标准光传输接口和第二多通道标准光传输接口的型号是多个单SFP、1*N SFP、N*1 SFP、N*N SFP等中的任意一种。

进一步地，所述介质为光纤。

进一步地，所述第一以太网物理层芯片和第二以太网物理层芯片的型号为常规以太网PHY芯片，可以是100M、1000M及RGMII转UTP、RGMII转Fiber、QSGMII转Fiber、PCIe转Fiber等中的任意一种。

本发明利用多通道SerDes高速Fanout Buffer模块作用于第一以太网物理层芯片与第一多通道标准光传输接口之间，利用多通道Serdes高速复用选择器作用于第二以太网物理层芯片与第二多通道标准光传输接口之间，实现不增加以太网收发主机的情况下，实现了以太网通信的多通道冗余方案，具有以下技术效果：

1、减少了以太网冗余方案复杂度，可由常规的多套设备减为1台设备即可实现冗余方案；

2、由于在以太网物理层芯片与传输模块之间加入了多通道SerDes高速FanoutBuffer模块和通道Serdes高速复用选择器，提高了信号质量，确保信号完整性，极大提高了以太网主机的稳定性；

3、可通过更改多通道SerDes高速Fanout Buffer模块和通道Serdes高速复用选择器的通道数，来实现自由冗余通道数，提高了冗余的灵活性。

附图说明

图1：本发明一种以太网传输数据的冗余系统的架构示意图。

图2：本发明以太网物理层芯片U1与多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2的原理图。

图3：本发明SFP1接口的原理图。

图4：本发明SFP2接口的原理图。

图5：本发明以太网物理层芯片U3与多通道Serdes高速复用选择器U4的原理图。

图6：本发明SFP3接口的原理图。

图7：本发明SFP4接口的原理图。

图8：本发明自身轮询方式流程示意图。

图9：本发明中断方式流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。为了便于阐述，以下实施例是以2个通道冗余方案为例进行的说明，具体通道数量可以根据实际情况调整。

实施例一

如图1所示，一种以太网传输数据的冗余系统，包括发送端冗余模块、传输模块和接收端冗余模块。

如图2-4所示，所述发送端冗余模块包括以太网物理层芯片U1及其自身的附属电路、AC耦合电容C1和C2、多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2及其自身的附属电路、多通道标准光传输接口（本实施例是以两通道标准光传输接口举例说明，即：SFP1接口和SFP2接口）。

传输模块包括发送端传输模块和接收端传输模块，所述发送端传输模块和接收端传输模块均包括多路以太网标准光模块和光纤（本实施例是以两路举例说明）。

如图5-7所示，所述接收端冗余模块包括以太网物理层芯片U3及其自身的附属电路、AC耦合电容C32和C33、多通道标准光传输接口（本实施例是以两通道标准光传输接口举例说明，即：SFP3接口和SFP4接口）、多通道Serdes高速复用选择器U4及其附属电路、复用器通道选择主控模块。

下面详细介绍本发明的工作原理：

以太网物理层芯片U1通过其pin4和pin5脚按照以太网标准发送码流及数据信号，并经过AC耦合电容C1和C2将所述码流及数据信号传输至多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2的pin12和pin9脚。

多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2将接收到的所述码流及数据信号经过逻辑处理并中继帧信号分成两路相同的码流及数据信号。

其中，一路码流及数据信号通过多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2的pin1和pin2脚传输至SFP1接口的pin18和19脚，并经发送端传输模块的第一路以太网标准光模块将所述码流及数据信号转化成光信号后，再通过其第一路光纤传输至接收端传输模块的第一路以太网标准光模块，接收端传输模块的第一路以太网标准光模块再将所述光信号转化成码流及数据信号后，再通过其第一路光纤传输至SFP3接口的pin12和pin13脚。

另一路码流及数据信号通过多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2的pin3和pin4脚传输至SFP2接口的pin18和pin19脚，并经发送端传输模块的第二路以太网标准光模块将所述码流及数据信号转化成光信号后，再通过其第二路光纤传输至接收端传输模块的第二路以太网标准光模块，第二路以太网标准光模块再将所述光信号转化成码流及数据信号后，再通过其第二路光纤传输至SFP4接口的pin12和pin13脚。

所述SFP3接口和SFP4接口均将接收到的码流及数据信号分别传输至多通道Serdes高速复用选择器U4的pin18和pin19脚、pin14和pin15脚。复用器通道选择主控模块可以根据自身轮询来控制多通道Serdes高速复用选择器U4的pin 14和pin 15或者pin 18和pin 19脚位上的码流及数据信号至多通道Serdes高速复用选择器U4的共同输出管脚pin3和pin 4脚，之后经过AC耦合电容C32和C33传输给以太网物理层芯片U3的pin 1和pin 2脚，以太网物理层芯片U3接收到的码流及数据信号后进行解析传输应用。

本实施例中的复用器通道选择主控模块根据自身轮询方式控制复用选择器的方式具体如下：

如图8所示，复用器通道选择主控模块通常采用CPU、DSP、FPGA等作为处理器，其完全由自身处理器系统内程序控制，依次从所述多通道Serdes高速复用选择器的输入通道1、通道2、至通道n依次轮询接收数据并对比处理分析，接收每一个通道上的信号和数据，避免因某个通道损坏而丢失信号和数据。

本实施例中传输模块中的以太网标准光模块可以是标准常规的光模块，具有通用性。以太网物理层芯片U1及 U3的型号为常规以太网PHY芯片，可以是100M、1000M及RGMII转UTP、RGMII转Fiber、QSGMII转Fiber、PCIe转Fiber等中的任意一种。SFP1、SFP2、SFP3、SFP4接口可以是多个单SFP、1*N SFP、N*1 SFP、N*N SFP等中的任意一种。复用器通道选择主控模块为所述接收端冗余模块的主控，通常为CPU、DSP、FPGA等处理器系统，用于操作多通道Serdes高速复用选择器U4的多种方式。多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2的常规型号为ICS8S89833 ，但不限于此型号。多通道Serdes高速复用选择器U4的型号为CBTL02043ABQ ，但不限于此型号。

本实施例以这种两端主机各有一个以太网物理层芯片的基础上，通过在以太网物理层芯片和传输模块之间加入多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2和多通道Serdes高速复用选择器U4来实现两端间多个传输模块进行数据传输，从而实现基于以太网光口的多通道冗余数据传输，尤其是实现基于千兆以太网光口的多通道冗余数据传输。

本实施例利用多通道SerDes Fanout Buffer芯片U2作用于以太网物理层芯片U1与发送端传输模块之间，利用多通道Serdes高速复用选择器U4作用于以太网物理层芯片U3与接收端传输模块之间，来实现不增加以太网收发主机的情况下，实现了以太网通信的多通道冗余方案，具有以下优势：

1）减少了以太网冗余方案复杂度，可由常规的多套设备减为1台设备即可实现冗余方案；2）由于在以太网物理层芯片与传输模块之间加入了多通道SerDes Fanout Buffer芯片和多通道Serdes高速复用选择器，提高了信号质量，确保信号完整性，极大提高了以太网主机的稳定性；3）创新地在以太网物理层芯片与传输模块之间增加功能器件，创造新颖，技术设计巧妙。

实施例二

与上述实施例一的区别仅在于，复用器通道选择主控模块是根据外部中断来控制多通道Serdes高速复用选择器U4的pin 14和pin 15或者pin 18和pin 19脚位上的码流及数据信号，至多通道Serdes高速复用选择器U4的共同输出管脚pin 3和pin 4脚，之后经过AC耦合电容C32和C33传输给以太网物理层芯片U3的pin 1和pin 2脚，以太网物理层芯片U3将接收到的码流及数据信号后进行解析传输应用。

本实施例中的根据外部中断来控制多通道Serdes高速复用选择器U4的方式具体如下：

如图9所示，所述SFP3接口和SFP4接口依据其标准规范，当有光模块插入时MOD-DEF会拉低产生低电平信号，进而将所述低电平信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断选择此通道；反之，当光模块损坏或未插入光模块时MOD-DEF是高电平信号，进而将所述高电平信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断此通道故障，避开选择此通道地数据信号。当有光模块插入亦有光纤，但传输损耗严重通常为光模块老化或光纤老化，致使光信号损耗大产生衰减，此时LOS信号为高电平，进而反馈给所述复用器通道选择主控模块判断此通道故障，避开选择此通道地数据信号；反之传输通道正常时LOS信号为低电平，进而将此信号反馈给所述复用器通道选择主控模块判断选择此通道。

实施例三

与上述实施例一或二的区别在于，发送端冗余模块、传输模块和接收端冗余模块三个模块在各个模块中增加反过来的设计模块，即：发送端增加接收端冗余模块，接收端增加发送端冗余模块。具体的为：所述发送端冗余模块所在的设备增加所述接收端冗余模块，而无需增加对应数量的传输模块，只需将传输模块的接收端利用上，作为所述发送端冗余模块的多个接收传输通道；所述接收端冗余模块所在的设备增加所述发送端冗余模块，而无需增加对应数量的传输模块，只需将传输模块的发送端利用上，作为所述接收端冗余模块的多个发送传输通道。通过这种双向设计来实现以太网发送端主机和接收端主机的双向数据传输。

本实施例发送端冗余模块的接收端指的是通过SFP1、SFP2的pin12和pin13管脚接收，此对管脚接反设计增加所述多通道Serdes高速复用选择器的pin19、pin18脚和pin15、pin14脚，进而多通道Serdes高速复用选择器的共同输出端pin3、pin4接入以太网物理层芯片U1的pin1和pin2脚；接收端冗余模块的发送端指的是通过SFP3、SFP4的pin18和19管脚发送，此对管脚接反设计增加所述多通道SerDes Fanout Buffer芯片的pin1、2，或pin3、4，或pin5、6，或pin15、16脚，进而反设计增加的多通道Fanout Buffer芯片的pin12、pin9脚接以太网物理层芯片U3的pin4、pin5脚，至此输出信号及数据经接收端冗余模块中的以太网物理层芯片U3发送出去。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：包括发送端冗余模块、传输模块、接收端冗余模块；

所述发送端冗余模块包括第一以太网物理层芯片、第一AC耦合电容、多通道SerDes高速Fanout Buffer模块和第一多通道标准光传输接口；

所述传输模块包括发送端传输模块和接收端传输模块，所述发送端传输模块和接收端传输模块均包括多路以太网标准传输模块和介质；

所述接收端冗余模块包括第二以太网物理层芯片、第二AC耦合电容、第二多通道标准光传输接口、多通道Serdes高速复用选择器和复用器通道选择主控模块；

通信时，所述第一以太网物理层芯片通过其发送端将Serdes信号经所述第一AC耦合电容传输给所述多通道SerDes高速Fanout Buffer模块；

所述多通道SerDes高速Fanout Buffer模块将所述Serdes信号经过逻辑处理并中继扩展为一进多出的Serdes信号，且输出的每一路所述Serdes信号分别传输给与其相连的所述第一多通道标准光传输接口；

所述第一多通道标准光传输接口将接收到的所述Serdes信号经过与其相连的所述发送端传输模块的以太网标准传输模块，所述以太网标准传输模块将所述Serdes信号转换成光信号后经所述介质传输给对应的所述接收端传输模块的以太网标准传输模块，所述接收端传输模块的以太网标准传输模块将所述光信号转换成Serdes信号后传输给对应的所述第二多通道标准光传输接口，所述第二多通道标准光传输接口将接收到的所述Serdes信号传输至所述多通道Serdes高速复用选择器的输入端；

所述复用器通道选择主控模块调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入传输通道信号至其共同输出端，所述多通道Serdes高速复用选择器将所述通道信号经过第二AC耦合电容传输给所述第二以太网物理层芯片。

2.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述复用器通道选择主控模块依据自身轮询调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一个输入通道传输通道信号至其共同输出端，具体是：所述复用器通道选择主控模块通过自身轮询方式切换各个通道上的传输数据作为所述接收端冗余模块的主控接收数据，并通过数据分析来选择并处理接收到的数据。

3.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述复用器通道选择主控模块依据外部中断信号调节所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入传输通道信号至其共同输出端，具体是：通过所述中断信号来触发所述复用器通道选择主控模块控制切换所述多通道Serdes高速复用选择器的某一路输入信号至其共同输出端。

4.根据权利要求3所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述外部中断信号是根据所述第二多通道标准光传输接口处是否有光信号产生的，或是根据所述第二多通道标准光传输接口的LOS和MOD-DEF信号来产生的。

5.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：在所述发送端冗余模块端增加一所述接收端冗余模块，在所述接收端冗余模块端增加一所述发送端冗余模块端，实现双向数据传输。

6.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述复用器通道选择主控模块为所述接收端冗余模块的主控单元，采用CPU，或DSP，或FPGA作为处理器，用于操作所述多通道Serdes高速复用选择器的选择方式。

7.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述以太网标准传输模块为标准光模块。

8.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述第一多通道标准光传输接口和第二多通道标准光传输接口的型号是多个单SFP、1*N SFP、N*1 SFP、N*NSFP中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述介质为光纤。

10.根据权利要求1所述的以太网传输数据的冗余系统，其特征在于：所述第一以太网物理层芯片和第二以太网物理层芯片是常规以太网PHY芯片，型号为100M、1000M及RGMII转UTP、RGMII转Fiber、QSGMII转Fiber、PCIe转Fiber中的任意一种。

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