CN116112453A - 以太网交换机及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网交换机及数据传输方法，以太网交换机包括：中央处理器、具有以太网端口的交换处理模块、具有串行接口的数据处理模块；数据处理模块通过串行接口接收来自终端设备的串行数据，将串行数据封装为以太网报文，将以太网报文传送给交换处理模块；接收来自交换处理模块的以太网报文，将以太网报文解封装为串行数据，通过串行接口将串行数据发送给终端设备；交换处理模块接收来自数据处理模块的以太网报文，将以太网报文通过以太网端口转发给目标网络设备；从以太网端口接收以太网报文，判断以太网报文需要送往串行接口的情况下，将所述以太网报文传送给数据处理模块。本发明方案可以方便地实现串行数据的以太网传输。

Description

以太网交换机及数据传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种以太网交换机及数据传输方法。

背景技术

在工业、采矿或者交通运输领域需要进行远程数据采集，数据采集终端接口大多采用RS-485/RS232串行接口，而为了将采集到的数据上传到机房电脑或者服务器，需要使用以太网络解决串行接口传输距离受限问题，如图1所示，通常需要在以太网交换机和终端之间增加一个端口转换设备10。这种数据传输方式存在如下缺点：

1、设备种类和数量繁多，不利于设备的摆放和布局，需要更大安装机架和空间；

2、端口转换器和以太网交换机可能来自不同厂家，维护成本高。

发明内容

本发明实施例提供一种以太网交换机及数据传输方法，可以方便地实现串行数据的以太网传输。

为此，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种以太网交换机，所述以太网交换机包括：中央处理器、交换处理模块、数据处理模块；所述交换处理模块具有以太网端口，所述数据处理模块具有串行接口；所述交换处理模块和所述数据处理模块具有相同类型的内部接口，所述交换处理模块和所述数据处理模块通过所述内部接口实现数据交互；

所述中央处理器，与所述交换处理模块连接，用于管理和控制所述交换处理模块；

所述串行接口，用于通过串行总线连接终端设备；

所述以太网端口，用于连接以太网络；

所述数据处理模块，用于通过所述串行接口接收来自所述终端设备的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口将所述以太网报文传送给所述交换处理模块；还用于通过内部接口接收来自所述交换处理模块的以太网报文，将所述以太网报文解封装为串行数据，通过所述串行接口将所述串行数据发送给所述终端设备；

所述交换处理模块，用于通过内部接口接收来自所述数据处理模块的以太网报文，将所述以太网报文通过所述以太网端口转发给目标网络设备；还用于从所述以太网端口接收以太网报文，判断所述以太网报文需要送往串行接口的情况下，通过所述内部接口将所述以太网报文传送给所述数据处理模块。

可选地，所述交换处理模块，还用于判断所述以太网报文不需要送往串行接口的情况下，通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

可选地，所述交换处理模块根据来自所述网络设备的以太网报文中的业务类型判断所述以太网报文是否需要送往串行接口。

可选地，所述串行接口有多个。

可选地，所述数据处理模块根据解封装后的串行数据中的端口ID确定所述串行数据对应的串行接口。

可选地，所述中央处理器，用于接收所述交换处理模块发送的所述以太网报文，通过解析所述以太网报文的用户数据内容确定所述以太网报文的目标转发接口，并将所述目标转发接口下发给所述交换处理模块，以使所述交换处理模块通过所述目标转发接口转发所述以太网报文；其中，所述目标转发接口包括串行接口和以太网端口。

另一方面，本发明实施例还提供一种基于上述以太网交换机的数据传输方法，所述方法包括：

接收终端设备发送的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，将所述以太网报文发送给目标网络设备；

接收以太网报文，确定所述以太网报文中的业务类型；

如果所述业务类型对应的是串行接口业务，则对所述以太网报文进行解封装得到串行数据，将所述串行数据发送给所述终端设备。

可选地，所述方法还包括：如果所述业务类型对应的不是串行接口业务，则通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

另一方面，本发明实施例还提供一种数据传输方法，应用于前面所述的以太网交换机的数据处理模块，所述方法包括：

通过所述串行接口接收来自所述终端设备的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口将所述以太网报文传送给所述交换处理模块；和/或

通过内部接口接收来自所述交换处理模块的以太网报文，将所述以太网报文解封装为串行数据，通过所述串行接口将所述串行数据发送给所述终端设备。

另一方面，本发明实施例还提供一种数据传输方法，应用于前面所述的以太网交换机的交换处理模块，所述方法包括：

通过内部接口接收来自所述数据处理模块的以太网报文，将所述以太网报文通过所述以太网端口转发给目标网络设备；和/或

从所述以太网端口接收以太网报文，判断所述以太网报文需要送往串行接口的情况下，通过所述内部接口将所述以太网报文传送给所述数据处理模块。

本发明实施例提供的以太网交换机，通过扩展接口使其支持串行通信接口，比如串行通信接口RS485、RS232，将端口转换和以太网数据交换相结合，不需要借助端口转换设备即可实现对串行数据的转发，从而实现串行数据在以太网的传输。利用本发明方案，不仅简单方便地解决了串行数据传输距离受限的问题，而且方便施工、安装，同时也能降低成本。

附图说明

图1是现有的使用以太网络实现终端与远程服务器通信的系统架构示意图；

图2是本发明实施例提供的以太网交换机的原理框图；

图3是本发明实施例提供的以太网交换机的一种硬件结构示意图；

图4是利用本发明实施例提供的多接口以太网交换机进行远距离数据采集及传输的示意图；

图5是本发明实施例中对串行数据的一种封装格式示例；

图6是本发明实施例提供的以太网交换机中软件的初始化流程；

图7是本发明实施例提供的数据传输方法的一种流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

以太网交换机是一种基于MAC(Media Access Control，介质访问控制)地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备，交换机上用于连接计算机或其他设备的插口称为端口，传统以太网交换机只支持以太网端口，用来处理以太网报文交换及路由。针对现有的基于串行接口的终端设备需要将数据通过以太网传输至远程服务器等设备的应用需求，需要借助端口转换器才能实现串行数据在以太网传输的问题，本发明提供一种以太网交换机，同时具有以太网端口和串行接口，可以直接接收终端设备发送的串行数据，将串行数据封装为以太网报文进行转发；对收到的需要送往串行接口的以太网报文，通过对其解封装得到串行数据，并将该串行数据通过串行接口发送给终端设备，简单、方便地实现串行数据在以太网中的传输。

下面结合图2和图3对本发明实施例提供的以太网交换机进行详细说明。其中，图2是本发明实施例提供的以太网交换机的原理框图，图3是本发明实施例提供的以太网交换机的一种硬件结构示意图。

如图2所示，本发明实施例提供的以太网交换机200包括：中央处理器201、交换处理模块202、数据处理模块203。其中，交换处理模块202具有以太网端口221，数据处理模块20具有串行接口231；交换处理模块202和数据处理模块203具有相同类型的内部接口23，交换处理模块202和数据处理模块203通过内部接口23实现数据交互。

需要说明的是，在具体应用中，可以根据实际应用需要，在数据处理模块20中设置有一个或多个相同或不同类型的串行接口231，比如RS485、RS232等，以适应不同的使用场景，对此本发明实施例不做限定。另外，内部接口23可以根据交换处理模块202和数据处理模块203各自采用的芯片及支持的协议来确定，本发明实施例也不做限定。

在该以太网交换机200中，中央处理器201与交换处理模块202连接，用于管理和控制交换处理模块202。具体地，中央处理器201接收交换处理模块202发送的以太网报文，通过解析所述以太网报文的用户数据内容确定所述以太网报文的目标转发接口，并将所述目标转发接口下发给交换处理模块202，以使交换处理模块202通过所述目标转发接口转发所述以太网报文；其中，所述目标转发接口包括串行接口和以太网端口。

上述串行接口231用于通过串行总线连接终端设备，也就是说，该以太网交换机200可以通过串行接口231与终端设备连接，与终端设备实现串口通信。上述以太网端口221用于连接以太网络，以太网交换机200可以通过以太网端口221实现对不同网络设备间以太网报文的转发。当然，对于IP报文，需要封装到以太网报文中进行传输。

本发明实施例提供的以太网交换机200，利用上述串行接口231和以太网端口221，可以将终端设备发送的串行数据借助以太网络，传送到远端的服务器等设备，实现串行数据的远距离传输，满足远程数据传输的应用需求，比如将终端设备采集的现场数据传输到远端的数据处理中心。

需要说明的是，所述服务器可以是通过以太网端口接入以太网的设备，也可以是通过串行接口及与上述相同的以太网交换机接入以太网的设备，对此本发明实施例不做限定。

在将串行接口231接收的串行数据进行以太网传输时，需要对该串行数据进行封装，数据封装的处理由数据处理模块203来完成。具体地，数据处理模块203将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口23将该以太网报文传送给交换处理模块202。相应地，交换处理模块202通过内部接口23接收来自数据处理模块203的以太网报文，将该以太网报文通过以太网端口转发给目标网络设备。

相应地，在所述以太网交换机200通过以太网端口221接收到以太网报文后，由交换处理模块202判断所述以太网报文是否需要送往串行接口，如果是，则通过内部接口23将所述以太网报文传送给数据处理模块203。数据处理模块203接收到该以太网报文后，将其解封装为串行数据，通过串行接口231将该串行数据发送给相应的终端设备。

需要说明的是，在具体应用中，交换处理模块202可以根据来自所述网络设备的以太网报文中的业务类型判断从以太网端口221接收到的以太网报文是否需要送往串行接口。具体地，可以使用自定义的TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)/UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)端口号来表示所述业务类型。

另外，前面提到，所述串行接口231可以有一个或多个，在有多个串行接口的情况下，数据处理模块203可以根据解封装后的串行数据中的端口ID确定所述串行数据对应的串行接口。

如图3所示，是本发明实施例提供的以太网交换机的一种硬件结构示意图。

该实施例中，所述数据处理模块可以采用STM32单片机，交换处理模块可以采用相应的交换芯片，当然，也可以采用其他型号的芯片，对此本发明实施例不做限定。该实施例的以太网交换机可以实现以太网+RS485+RS232三种不同类型的接口组合。本实例采用的STM32芯片支持4个USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器)和2个UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发器)接口，因此可以实现最多6个RS485+RS232接口。

STM32单片机通过MII(Medium Independent Interface，介质独立接口)接口和交换处理模块相连，实现和交换处理模块的通信以及以太网报文传输。MII总线是一种用于将不同类型的物理层(PHY)与相同MAC(Media Access Control，媒介存取控制器)相连接的通用总线。MII接口包括一个数据接口以及一个MAC和PHY之间的管理接口。其中，数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制物理层。相应地，在该实施例中，如图3所示，该以太网交换机还包括电源模块和时钟模块。

在该实施例中，交换处理模块与以太网端口的物理层可以通过SERDES(Serializer and Deserializer，串行器和解串器)接口、QSGMII(Quad Serial GigabitMedia Independent Interface，四端口串行千兆位媒体独立接口)/SMI(SerialManagement Interface，串行管理接口)等连接。其中，SERDES接口包括串行器和解串器；串行器由并串转换电路、发射器组成，结构比较简单，而解串器由接收器、串并转换电路和CDR(Clock and Data Recovery，时钟和数据恢复)电路组成，串行器的功能是将低速的并行信号转换成为高速LVDS(Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号)，然后串化并发送出去；而解串器的功能是接收高速串行LVDS信号并将其转换为低速并行信号。SMI是一种串行接口，接口包括两根信号线：MDC和MDIO，通过SMI接口，MAC层芯片(或其它控制芯片)可以访问物理层芯片的寄存器。

在该实施例中，还可包括与中央处理模块连接的存储器及逻辑器件，比如DDR(Double Data Rate SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器)、Flash(EEPROM Memory，闪存)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)等，具体可以根据应用需要进行设置。

图4是利用本发明实施例提供的多接口以太网交换机进行远距离数据采集及传输的示意图。

下面结合图3和图4详细说明利用本发明实施例提供的以太网交换机实现串行数据远距离传输的过程。

如图4所示，以太网交换机40有三个串行接口，分别为两个RS485接口，其中一个连接终端设备411的RS485接口，另一个连接终端设备412的RS485接口，还有一个串行接口RS232，连接终端设备413的RS232接口。

终端设备411、412、413分别执行数据采集业务，并将采集的数据通过各自的串行接口上传为以太网中的服务器42，另外，服务器42还会对终端设备411、412、413下发相应的指令。

对于上行数据流，当RS485/RS232串行接口从下挂的终端设备采集到数据后，会送给以太网交换机40中的STM32芯片处理，STM32芯片将采集到的数据根据定义的格式封装到以太网报文中。STM32芯片将封装好的以太报文通过与交换处理模块连接的网口(比如MII接口)传送给交换处理模块，然后由交换处理模块转发给服务器42。

对于下行数据流，交换处理模块收到远端发过来的报文后，会根据具体的业务类型判断是否需要送往STM32芯片处理，而STM32芯片收到交换处理模块发过来的以太网报文后，对该以太网报文进行解封装，并根据报文中携带的端口ID，将数据传送至对应该端口ID的串行接口(RS485接口或RS232接口)，然后通过该串行接口下发给对应的终端设备。

需要说明的是，上述对串行数据的封装格式可以根据需要自定义，对此本发明实施例不做限定，比如，报文格式定义如图5所示。

参照图5，报文中的各字段的含义如下：

DATA，x字节用户数据；

CMD，1字节，用于标识DATA的类型；

ETH TYPE，2字节，以太报文类型，在本实施例中，使用自定义值0xFEFE，标识DATA为串行数据；

VLAN TAG，4字节，VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)标签；

SMAC，6字节，源MAC地址；

DMAC，6字节，目的MAC地址。

在本发明实施例中，STM32芯片传送给交换处理模块的以太网报文实际上还会上传给以太网交换机40中的CPU(中央处理模块)。

CPU接收到该以太网报文后，根据用户数据内容判断该以太网报文是需要转发给其他串行接口，还是通过以太网端口传送到以太网络。

需要说明的是，对于需要转发给其他口串行接口的以太网报文，CPU的处理主要是对用户数据进行格式转换等操作；对于需要通过以太网端口传送到以太网络的以太网报文，CPU的处理主要是将其封装为三层报文(如IP报文)。CPU将处理后的报文再回插给交换处理模块转发。

CPU运行主程序，用于设备管理和二层交换协议。STM32芯片上运行单独的子程序，除初始化STM32芯片本身外，还需要实现与CPU简单的通信，以及完成以太报文和RS485/RS232接口数据的转换。

以图3所示硬件结构为例，本发明实施例提供的以太网交换机中软件的初始化流程如图5所示。

首先，对CPU加载CPU软件，对STM32芯片加载STM32软件；然后，由加载的CPU软件分别对CPU外围器件和交换芯片初始化，由加载的STM32软件分别对串行接口RS485和RS232初始化，对MII接口初始化。STM32软件初始化完成后，通知CPU初始化完成。

CPU软件对相应器件初始化完成后，如果收到STM32初始化完成的通知，则结束初始化过程；如果未收到通知，则继续等待，直到收到相应通知。

上述实施例数据处理模块以STM32芯片为例进行说明，在实际应用中，还可以采用其它型号的单片机作为所述数据处理模块，对此本发明不做限定。

本发明在交换机中内嵌串行接口处理芯片，如上述STM32芯片，支持以太网交换功能的同时可支持一个或多个串行接口，比如1个或多个RS485接口、或者一个或多个RS232接口、或者一个或多个RS485和RS232接口的混合，以适应不同的使用场景。同时可以将串行接口采集的数据通过以太封装后直接远距离传输，或者将远程设备下发指令(可以是通过网络端口或串行接口下发的指令)传送给与本发明实施例提供的多接口交换机通过串行接口连接的终端设备。

相应地，本发明实施例还提供一种基于上述以太网交换机的数据传输方法，该方法主要包括对上行数据流的传输和对下行数据流的传输，具体如下：

针对上行数据流，接收终端设备发送的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，将所述以太网报文发送给目标网络设备。

针对下行数据流，接收以太网报文，确定所述以太网报文中的业务类型；如果所述业务类型对应的是串行接口业务，则对所述以太网报文进行解封装得到串行数据，将所述串行数据发送给所述终端设备。进一步地，如果所述业务类型对应的不是串行接口业务，则通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

图7示出了上述数据传输方法的一种示意图，具体如下：

针对上行数据流，数据处理模块接收终端设备发送的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，该以太网报文中携带了用户数据(即所述串行数据)，将所述以太网报文通过内部接口发送给交换处理模块；交换处理模块将该以太网报文上传给中央处理器，中央处理器确定目标转发接口并下发给交换处理模块，交换处理模块按照目标转发接口将所述以太网报文转发给目标网络设备。

针对下行数据流，接收以太网报文，确定所述以太网报文中的业务类型；如果所述业务类型对应的是串行接口业务，则将所述以太网报文通过内部接口发送到数据处理模块，数据处理模块对所述以太网报文进行解封装得到串行数据，将所述串行数据发送给所述终端设备。进一步地，如果所述业务类型对应的不是串行接口业务，则通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

相应地，本发明实施例还提供一种数据传输方法，应用于前面所述的以太网交换机的数据处理模块，所述方法包括：通过所述串行接口接收来自所述终端设备的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口将所述以太网报文传送给所述交换处理模块；和/或通过内部接口接收来自所述交换处理模块的以太网报文，将所述以太网报文解封装为串行数据，通过所述串行接口将所述串行数据发送给所述终端设备。

相应地，本发明实施例还提供一种数据传输方法，应用于前面所述的以太网交换机的交换处理模块，所述方法包括：通过内部接口接收来自所述数据处理模块的以太网报文，将所述以太网报文通过所述以太网端口转发给目标网络设备；和/或从所述以太网端口接收以太网报文，判断所述以太网报文需要送往串行接口的情况下，通过所述内部接口将所述以太网报文传送给所述数据处理模块。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。而且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个网络单元上，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种以太网交换机，其特征在于，所述以太网交换机包括：中央处理器、交换处理模块、数据处理模块；所述交换处理模块具有以太网端口，所述数据处理模块具有串行接口；所述交换处理模块和所述数据处理模块具有相同类型的内部接口，所述交换处理模块和所述数据处理模块通过所述内部接口实现数据交互；

所述中央处理器，与所述交换处理模块连接，用于管理和控制所述交换处理模块；

所述串行接口，用于通过串行总线连接终端设备；

所述以太网端口，用于连接以太网络；

所述数据处理模块，用于通过所述串行接口接收来自所述终端设备的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口将所述以太网报文传送给所述交换处理模块；还用于通过内部接口接收来自所述交换处理模块的以太网报文，将所述以太网报文解封装为串行数据，通过所述串行接口将所述串行数据发送给所述终端设备；

所述交换处理模块，用于通过内部接口接收来自所述数据处理模块的以太网报文，将所述以太网报文通过所述以太网端口转发给目标网络设备；还用于从所述以太网端口接收以太网报文，判断所述以太网报文需要送往串行接口的情况下，通过所述内部接口将所述以太网报文传送给所述数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的以太网交换机，其特征在于，

所述交换处理模块，还用于判断所述以太网报文不需要送往串行接口的情况下，通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

3.根据权利要求2所述的以太网交换机，其特征在于，

所述交换处理模块根据来自所述网络设备的以太网报文中的业务类型判断所述以太网报文是否需要送往串行接口。

4.根据权利要求3所述的以太网交换机，其特征在于，所述串行接口有多个。

5.根据权利要求4所述的以太网交换机，其特征在于，

所述数据处理模块根据解封装后的串行数据中的端口ID确定所述串行数据对应的串行接口。

6.根据权利要求1所述的以太网交换机，其特征在于，

所述中央处理器，用于接收所述交换处理模块发送的所述以太网报文，通过解析所述以太网报文的用户数据内容确定所述以太网报文的目标转发接口，并将所述目标转发接口下发给所述交换处理模块，以使所述交换处理模块通过所述目标转发接口转发所述以太网报文；其中，所述目标转发接口包括串行接口和以太网端口。

7.根据权利要求1至6任一项所述的以太网交换机，其特征在于，所述数据处理模块为STM32芯片，所述内部接口为MII接口。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的以太网交换机的数据传输方法，其特征在于，所述方法包括：

接收终端设备发送的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，将所述以太网报文发送给目标网络设备；

接收以太网报文，确定所述以太网报文中的业务类型；

如果所述业务类型对应的是串行接口业务，则对所述以太网报文进行解封装得到串行数据，将所述串行数据发送给所述终端设备。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果所述业务类型对应的不是串行接口业务，则通过所述以太网端口转发所述以太网报文。

10.一种数据传输方法，其特征在于，应用于基于权利要求1至7任一项所述的以太网交换机的数据处理模块，所述方法包括：

通过所述串行接口接收来自所述终端设备的串行数据，将所述串行数据封装为以太网报文，通过内部接口将所述以太网报文传送给所述交换处理模块；和/或

通过内部接口接收来自所述交换处理模块的以太网报文，将所述以太网报文解封装为串行数据，通过所述串行接口将所述串行数据发送给所述终端设备。

11.一种数据传输方法，其特征在于，应用于基于权利要求1至7任一项所述的以太网交换机的交换处理模块，所述方法包括：

通过内部接口接收来自所述数据处理模块的以太网报文，将所述以太网报文通过所述以太网端口转发给目标网络设备；和/或

从所述以太网端口接收以太网报文，判断所述以太网报文需要送往串行接口的情况下，通过所述内部接口将所述以太网报文传送给所述数据处理模块。

Images