CN118101600A - 一种交换机系统和数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及以太网通信领域，公开了一种交换机系统和数据传输方法；该系统包括：全光以太网接口电路，包括若干个千兆光口和万兆光口，用于在上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；TSN交换电路，用于对电信号形式的以太网数据进行数据处理；全光以太网接口电路还用于将处理后的电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。本实施例中的交换机系统支持TSN交换功能，实现数据流传输的可靠性、确定性、实时性和优先级调度；且该交换机系统使用上行千兆光口和万兆光口的组合进行通信，提高了传输速率。

Description

一种交换机系统和数据传输方法

技术领域

本申请涉及以太网通信领域，尤其涉及一种交换机系统和数据传输方法。

背景技术

工业自动化是工业高产、高效和安全生产的保证，而工业网络平台是实现工业自动化的基础。目前，许多工业都建立了工业以太网，用于煤矿安全、电力行业、轨交行业等；轨交行业采用的交换机主要是电口居多，掺杂少量光口或没有光口的百兆或千兆交换机。

但是，传统以太网缺乏对实时性应用的严格支持，因此对于需要低延迟和可预测性的应用(如轨交行业)来说，性能不够理想。其次，主要使用上行千兆环网和百兆端口的组合进行通信，导致传输速率不够快，而随着轨交行业的发展，车辆和设备的数量迅速增加，所需传输的数据也在迅速增加，因此需要更高的带宽来满足轨交以太环网的传输要求。

发明内容

第一方面，本申请提供一种交换机系统，包括：

全光以太网接口电路，包括若干个千兆光口和万兆光口，用于在上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将所述光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；

TSN交换电路，用于对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理；

所述全光以太网接口电路还用于将所述电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。

在可选的实施方式中，所述对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理，包括：

获取并识别待转发的以太网数据的类型；

若所述类型为第一类型，则帧解析所述以太网数据，以确定所述以太网数据的转发优先级以及用于转发所述以太网数据的目标光口；

将所述转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，并根据确定结果将所述以太网数据存放至与所述转发优先级对应的转发队列中；

采用与所述转发优先级对应的预设转发策略，从所述转发队列中提取所述电信号形式的以太网数据。

在可选的实施方式中，所述将所述转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，包括：

若所述转发优先级高于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定进行帧抢占，并中断转发所述当前转发的数据帧，以转发所述以太网数据；

若所述转发优先级低于或等于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定不进行帧抢占。

在可选的实施方式中，在所述根据确定结果将所述以太网数据存放至与所述转发优先级对应的转发队列中之后，还包括：

计算所述以太网数据的目标转发时间戳；所述目标转发时间戳用于在到达所述目标转发时间戳时，触发所述TSN交换电路从所述转发队列中提取相应的所述以太网数据；

在所述将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备之后，还包括：

记录所述目标光口转发所述以太网数据时的实际转发时间戳；

计算所述目标转发时间戳与所述实际转发时间戳的差值，根据所述差值分析所述交换机系统的网络性能。

在可选的实施方式中，所述帧解析所述以太网数据，包括：

获取所述以太网数据的长度字段，所述长度字段用于指示所述以太网数据的帧长度；采用预设解析格式，并根据所述长度字段来解析所述以太网数据的帧头、帧尾和数据字段；

在所述帧解析所述以太网数据之后，还包括：

采用预设校验算法来校验所述以太网数据中帧头、帧尾和数据字段是否完整；若确定所述以太网数据不完整，则丢弃所述以太网数据；若确定所述以太网数据完整，则不做处理。

在可选的实施方式中，所述帧解析所述以太网数据，以确定所述以太网数据的转发优先级以及用于转发所述以太网数据的目标光口，包括：

帧解析所述以太网数据，以获取所述以太网数据的帧头包含的目的MAC地址和优先级标记；

根据所述优先级标记识别转发优先级，以及根据所述目的MAC地址确定目的接口。

在可选的实施方式中，还包括：

若所述类型为第二类型，则按照所述第二类型对应的预设转发机制来转发所述以太网数据。

在可选的实施方式中，还包括：电源模块，其中，所述电源模块包括第一级电源单元和第二级电源单元，所述第一级电源单元包括第一电源子单元和第二电源子单元；

所述第一级电源单元用于根据接收到的外部输入电源的电流类型来选取相应的所述第一电源子单元或所述第二电源子单元，以对所述外部输入电源进行电源转换后输出至所述第二级电源单元；

所述第二级电源单元用于将电源转换后的外部输入电源转换为目标电压值的电源电压，所述电源电压用于为所述交换机系统的各个模块及电路供电。

在可选的实施方式中，还包括：

复位电路，用于在上电时，输出复位信号，所述复位信号用于触发所述交换机系统执行初始化处理，以使得所述全光以太网接口电路接收电源电压，以执行所述接收外部设备输入的光信号的步骤；

继电器告警模块，用于若检测到所述目标光口的转发过程出现异常，则发出告警信息。

第二方面，本申请提供一种数据传输方法，应用于如前述的交换机系统，所述方法包括：

在交换机系统上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将所述光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；

对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理；

将处理后的所述电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。

本申请实施例具有如下有益效果：

本申请实施例提供了一种交换机系统，该系统包括：全光以太网接口电路，包括若干个千兆光口和万兆光口，用于在上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；TSN交换电路，用于对电信号形式的以太网数据进行数据处理；全光以太网接口电路还用于将处理后的电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。本实施例中的交换机系统支持TSN交换功能，能够确保严格的通信时序，以满足实时性要求，确保高优先级的数据流能够得到优先传输，避免网络拥塞和竞争问题，实现数据流传输的可靠性、确定性、实时性和优先级调度；且该交换机系统使用上行千兆光口和万兆光口的组合进行通信，提高了传输速率，进而提供了更高的带宽来满足轨交以太环网的传输要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本申请实施例中交换机系统的第一种结构示意图；

图2示出了本申请实施例中交换机系统的第二种结构示意图；

图3示出了本申请实施例中交换机系统的电源模块的一种结构示意图；

图4示出了本申请实施例中交换机系统的第三种结构示意图；

图5示出了本申请实施例中数据传输方法的一种流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

光纤接口简称光口，是用来连接光纤线缆的物理接口；工业交换机上的光口一般是成对在一起的，一个TX发送端，一个RX接收端，百兆交换机端口型式一般是SC卡装方口，千兆交换机光口一般是SFP光模块，端口型式为LC。

TSN(即时间敏感网络)，是以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。

本申请实施例提供了一种交换机系统；示范性地，如图1所示，该交换机系统包括全光以太网接口电路100和TSN交换电路200；其中，该全光口以太网接口电路100包括若干个光口、与光口连接的光模块及其外围电路，该光口包括如若干个千兆光口和若干个万兆光口等；其中，各个光口根据自身不同的传输速率来相应接收或传输光信号形式的以太网数据(下述可简称数据)。

在本实施例中，各个光口接收到各个外接设备输入的以太网数据后，会先将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式后，再传输给TSN交换电路200进行数据处理，再通过光口将处理后的电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将其转发至目的设备。

示例的，该交换机系统包括4个万兆光口和28个千兆光口，各个光口可直接通过解串器串行器(即SerDes)对应连接至万兆光模块和千兆光模块；其中，万兆光口连接万兆光模块，千兆光口连接千兆光模块。此外，本实施例还可以按照需求设置各个光口连接相应的电口模块，以保证设备兼容性、统一性，符合目的设备的数据传输要求，其中，具体的连接关系设置在此不做限定，可根据实际需求进行设置。

在一实施方式中，该TSN交换电路200用于对电信号形式的以太网数据进行数据处理；其中，该TSN交换电路200可在以太网数据传输过程中，根据以太网数据的类型对应的转发优先级进行分级传输，保证高优先级的以太网数据的传输实时性、可靠性和准确性，且该TSN交换电路200可兼容标准以太网数据和TSN流两种不同类型的数据传输。

在一些示例中，该TSN交换电路200执行以太网数据的数据处理过程包括：获取并识别待转发的以太网数据的类型；若该类型为第一类型，则帧解析以太网数据，以确定以太网数据的转发优先级以及用于转发以太网数据的目标光口；将转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，并根据确定结果将以太网数据存放至目标光口对应转发队列中的目标位置；采用预设转发策略，从转发队列中目标位置处提取电信号形式的以太网数据。

具体地，获取到电信号形式的以太网数据后，识别该以太网数据的类型，若确定该类型为第一类型，其中，该第一类型为TSN流类型，则帧解析该以太网数据，以确定该以太网数据的转发优先级。进而，实现对高优先级的TSN流数据进行优先转发。

进一步地，获取以太网数据的长度字段，其中，该长度字段用于指示以太网数据的帧长度；采用预设解析格式，并根据长度字段来解析以太网数据的帧头、帧尾和数据字段；获取以太网数据的帧头包含的目的MAC地址和优先级标记；根据优先级标记识别转发优先级，以及根据目的MAC地址确定目的接口。

可以理解，帧解析以太网数据首先需要识别到以太网数据的字段长度，以便正确提取各个字段，其中，该字段长度可以预先通过在以太网数据的帧头部或帧尾部添加长度字段的方式来指示。其中，帧头包含了一些必要的信息，例如源MAC地址、目的MAC地址、类型等信息。在解析帧头时需要按照预设解析格式解析以太网数据中的每个字段，并将帧头提取出来。而后解析数据字段，也就是传输的真正有效数据；其中，数据字段的解析需要根据帧头中的信息，按照预设解析格式进行解析。此外，在帧解析完成后，可以根据应用需求对解析后的数据进行相应处理，其中，该预设解析格式以及对解析后的数据的处理过程在此不做限定。

在一些示例中，帧解析该以太网数据之前，通过检测物理层上的电气信号或光学信号来确定以太网数据的帧开始位置和帧结束位置，并在帧开始位置添加同步标记，以保证后续可正确解析以太网数据中的各个字段，其中，该同步标记可以是比特位序列或特殊字节，其同步标记的具体设置可根据实际需求进行设置，在此不做限定。

在一些示例中，可更进一步采用预设校验算法来校验以太网数据中帧头、帧尾和数据字段是否完整；若确定以太网数据不完整，则丢弃以太网数据；若确定以太网数据完整，则不做处理。也即是，可在以太网数据解析过程中，使用如校验或循环冗余检验(即CRC)等预设校验算法来检测以太网数据的完整性，若不完整，则丢弃该以太网数据或尝试进行差错纠正。

作为一种可选的实施方式，预先在交换机系统中配置优先级转发规则，该优先级转发规则包括每种优先级的具体设置数值和对应的转发逻辑。例如，可以将不同类型的流量分配给不同的优先级，并定义每种优先级的转发策略，如最佳路径优先、最短路径优先等。

示范性地，当交换机系统接收到一个以太网数据时，需要对其进行解析以提取关键信息，如源MAC地址和目的MAC地址、VLAN标签、IP地址等信息，以用于后续的转发决策；进而，使用配置的优先级转发规则，生成转发决策表，后续根据解析得到的信息，确定该以太网数据所属的转发优先级。一旦确定了以太网数据的转发优先级，就可以执行相应的转发逻辑。在执行转发逻辑的同时，还需要更新转发决策表，以便后续的以太网数据能够根据最新的优先级转发规则进行正确的转发。例如，如果某个转发优先级的规则被修改或删除，相关的转发决策也需要相应地更新或删除。

在本实施例中，交换机系统接收到一个以太网数据后，会先对以太网数据进行帧解析，提取其中的关键信息，如源MAC地址、目的MAC地址等。根据解析得到的信息，交换机系统确定用于转发该以太网数据的目标光口以及转发优先级，其中，可通过目的MAC地址来确定目标光口，以及通过帧头的优先级标记来确定转发优先级。

进一步地，将该转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，并根据确定结果将以太网数据存放至与转发优先级对应的转发队列中；采用与转发优先级对应的预设转发策略，从转发队列中提取电信号形式的以太网数据。其中，若所述转发优先级高于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定进行帧抢占，并中断转发所述当前转发的数据帧，以转发所述以太网数据；若所述转发优先级低于或等于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定不进行帧抢占。

也即是，交换机系统在接收到多个以太网数据后，根据接收到的以太网数据的帧头信息对其进行解析和处理。通过解析帧头中的字段或标记，确定每个以太网数据的转发优先级。将每个以太网数据的转发优先级与当前正在转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否需要进行帧抢占。若确定当前正在转发的数据帧的优先级较低，则中断当前转发过程，并优先转发具有较高优先级的以太网数据。

值得说明的是，交换机系统为不同的转发优先级预先创建多个转发队列，用于分别存储不同优先级的以太网数据或数据帧。当以太网数据需要转发时，根据其转发优先级将其放入相应的转发队列中。而后，交换机系统根据转发队列的优先级顺序和先进先出原则管理转发队列，其中，较高优先级的转发队列中的数据将优先被转发，而较低优先级的转发队列中的数据将等待转发。而当交换机系统完成当前转发任务后，会按照优先级的顺序从转发队列中取出数据，并将其发送到目标光口，进行下一步的转发处理。

进一步地，将以太网数据放入与转发优先级相应转发队列的相应位置后，交换机系统会为该以太网数据计算一个目标转发时间戳，该目标转发时间戳基于交换机系统的实时时钟或硬件计时器来生成，该目标转发时间戳用于在到达目标转发时间戳设定的时间点或发生其他触发条件时，触发交换机系统从相应转发队列中取出以太网数据，并将其发送到相应光口进行转发。

可选的，当以太网数据被成功转发后，可记录目标光口转发该以太网数据时的实际转发时间戳，并将其与计算的目标转发时间戳进行比较，计算目标转发时间戳与实际转发时间戳的差值，后续可根据差值分析交换机系统的网络性能。

需要注意的是，交换机系统会定期更新和管理转发时间戳，这包括将新的目标转发时间戳应用于转发过程中的以太网数据，并实时调整转发队列中的以太网数据的转发顺序。一般情况下，交换机系统不会按照目标转发时间戳来定时转发以太网数据，目标转发时间戳的计算主要用于统计和监测网络性能，而实际的数据转发通常基于转发决策和转发队列的管理机制来进行，而不是基于目标转发时间戳。

在一实施方式中，若确定以太网数据的类型为第二类型，则按照第二类型对应的预设转发机制来转发该以太网数据。其中，该第二类型为标准以太网数据，进而，若接收到的以太网数据为标准以太网数据，则将其按照QoS机制进行传输。

可以理解，本实施例在数据通信的过程中能够根据以太网数据的重要性进行分级传输，保证高优先级的数据的实时性、可靠性和准确性，同时兼容标准以太网数据和TSN流数据的传输。对于标准的以太网数据将按照传统的QoS机制进行传输；对于TSN流数据，将对TSN流数据进行帧解析，对高优先级的数据进行优先转发，在转发之前将会计算转发时间戳信息，提高数据转发的时间精度，降低延时。进而，该TSN交换电路200可实现对光口的帧抢占和对以太网数据的排队功能，同时负责以太网数据在网络中的传输，以协调网络流量传输。

在一实施方式中，如图2所示，交换机系统还包括电源模块300，外部电源经电源模块300转化为合适的供电电压后输入至该交换机系统的各个模块或电路，进而为各个模块或电路供电。

在一些示例中，如图3所示，该电源模块300包括第一级电源单元310和第二级电源单元320；其中，第一级电源单元310包括第一电源子单元311和第二电源子单元312；可选的，该第一电源子单元311为第一DC-DC电源子单元和AC-DC电源子单元；第二级电源单元320为第二DC-DC电源子单元。进一步地，第一级电源单元310用于接入外部电源(即外部输入电源)，并将外部电源进行相应电源转换后输入至第二级电源单元320，经由第二级电源单元320进行再次电源转换后输入至交换机系统中的各个模块或电路，以为该交换机系统提供电源电压。其中，第一级电源单元310用于根据接收到的外部输入电源的电流类型来选取相应的第一电源子单元311或第二电源子单元312，以对所述外部输入电源进行电源转换后输出至第二级电源单元320；第二级电源单元320用于将电源转换后的外部输入电源转换为目标电压值的电源电压，其中，该电源电压用于为交换机系统的各个模块及电路供电。

可以理解，该电源模块300可实现双电源冗余输入，在实际应用场景中可根据实际需求选择启用第一级电源单元310中的第一DC-DC电源子单元或AC-DC电源子单元来进行电源转换，即根据实际需求来选择直流输入或交流输入，进而，无论直流输入还是交流输入都是双电源冗余输入，确保不会因为某一路电源故障导致交换机系统无法工作，且输出为一个固定的直流电源，接入到下一级第二DC-DC电源子单元，再根据后续的模块需要输出不同电压值的直流电压。

需要注意的是，该交换机系统的供电过程还涉及到各个模块或电路的供电顺序设置，其中，设置最后向全光以太网接口电路100供电，以保证系统运行的安全性和稳定性。

具体而言，交换机系统上电后，通过电源模块300为交换机系统中的各个模块或电路供电；其中，在检测到交换机系统上电复位后，再为全光以太网接口电路100供电。具体地，由于该交换机系统可满载多个光口，例如，28个千兆光模块、4个万兆光模块等，若在交换机系统上电时同步为各个光口供电，其系统的电源负载是相当大的，导致上电的冲击电流也会很大，为了保证系统的稳定与安全，使得交换机系统在上电复位后，确保在启动或异常情况下系统也能够正常运行时，向全光以太网接口电路100供电。

作为一种可选的实施方式中，如图4所示，交换机系统还包括复位电路400，该复位电路400用于在交换机系统上电后，输出复位信号，以使得交换机系统在接收到该复位信号后，执行初始化处理，并在完成初始化处理后为全光以太网接口电路100供电，使得全光以太网接口电路100接收电源电压，以执行接收外部设备输入的光信号的步骤，并将目标光口接收到的光信号转换为电信号后传输至TSN交换电路200，以实现以太网数据的传输。

在一实施方式中，该交换机系统还包括继电器告警模块，该继电器告警模块用于在检测到交换机系统工作异常时，发出告警信号；其中，该交换机工作异常的情况包括电源异常或光口异常(即电源供电异常或光口转发以太网数据的过程出现异常)。可选的，该继电器告警模块可以为继电器集成电路等电路结构，其具体的模块电路设置在此不做限定。

示范性地，该继电器告警模块包括继电器告警单元和指示单元，继电器告警单元用于发出告警信号，其中，该告警信号用于通过指示单元进行传输或显示，其中，该指示单元包括指示灯及其外围电路。进而，继电器告警单元向指示单元输入告警信号，进而指示单元在接收到告警信号后控制指示灯亮灯，以显示告警信号。可选的，该指示单元可集成在继电器告警模块内，或是单独存在，与继电器告警模块连接，以接收来自继电器告警模块输出的告警信号来相应控制内部指示灯的亮灯状态；该指示单元的设置方式以及内部电路结构在此不做限定，可根据实际需求进行设置。

示例的，继电器告警模块通过指示灯的亮灯状态传输告警信号，来提醒工作人员及时进行检查和维护；此外，该继电器告警模块也可以外接蜂鸣器或指示灯。

在一些示例中，该交换机系统还包括处理器(即CPU)，该处理器通过实时监测交换机系统的工作状态来确定交换机工作是否异常，若该处理器监测到交换机的电源异常或光口异常时，控制继电器告警模块发出告警信号。

更进一步地，继电器告警模块的指示灯通过CPU的GPIO接口来控制，具体地，该CPU可通过GPIO接口控制多个移位寄存器来相应控制指示灯的亮灯状态。

在本实施例中，外部电源经过电源模块300转化为合适的电压后供给交换机系统的各个模块，而后，交换机系统接收到复位电路400上电输出的复位信号进行复位，交换机系统初始化完成对全光以太网接口电路100供电，全光以太网接口电路100将光口接收到的光信号转化为电信号传输到TSN交换电路200，TSN交换电路200对外接设备进行时钟同步，然后进行以电信号形式的太网数据传输和流量调度，以太网数据经过加密后由全光以太网接口电路100将电信号转化为光信号传输到目的设备，此时，若光口异常则数据传输失败，进而后续通过继电器告警模块发送告警信息，以通知相关人员。

在一实施方式中，该交换机系统还包括实时时钟，该实时时钟用于同步外接设备的时间，并为TSN交换电路200中待传输的以太网数据提供转发时间戳，以及记录交换机系统的运行日志和执行计划任务等，进而，本实施例中该实时时钟对于TSN网络的正常运行和维护非常重要。

在一实施方式中，该交换机系统还包括加密电路，该加密电路用于对TSN交换电路200中待传输的以太网数据进行加密，使得该以太网数据进行加密传输；此外，该加密电路还用于提供密钥存储、安全接口、设备防克隆和物联网身份识别等功能，保护网络通信中的数据安全和系统安全。

示例的，该加密电路用于接收TSN交换电路200输出的以太网数据，并对以太网数据进行加密后传输至全光以太网接口电路100，使其加密后的以太网数据由电信号形式转换为光信号形式，通过光口传输至外接设备。

可以理解，外部电源经过电源模块300转化为合适的电压后供给交换机系统各个模块或电路，交换机系统接收到复位电路400输出的复位信号后进行复位，交换机系统初始化完成对全光以太网接口电路100供电，该全光以太网接口电路100中的光口将接收到的光信号形式的以太网数据转化为电信号形式传输到TSN交换电路200，TSN交换电路200对外接设备进行时钟同步，然后进行以太网数据传输和流量调度，以太网数据经过加密电路进行加密操作后，由全光以太网接口电路100中的光口将电信号形式的加密以太网数据转化为光信号形式并传输到目的设备。

在一实施方式中，交换机系统可通过使用如IEEE 1588Precision Time Protocol(即PTP)或者同步以太网(SyncE)等时钟同步协议，将网络中的各个外接设备的时钟进行统一和同步，以保证整个网络中的时钟精确一致，从而确保网络流量传输的同步性和可靠性。而一旦实现了时钟同步，交换机系统会将统一的时钟信号分发给网络中的各个外接设备，使得所有的外接设备都能够按照统一的时钟信号进行工作和通信，从而保证以太网数据的传输和处理的同步性。

在本实施例中，交换机系统通过流量调度算法对网络中的数据流进行管理和优化；对不同的数据流(即标准以太网数据和TSN流数据)进行分类和标记，根据流量的需求进行优先级的排序和调度，通过调度算法的优化，交换机系统可以实现对不同数据流的带宽保障和流量控制，从而确保关键数据的实时传输和延迟控制。此外，交换机系统在传输数据时会对数据流进行目标转发时间戳的标记，以确保数据流的实时性和时序性，它会根据数据流的要求，使用时钟同步信号和目标转发时间戳进行数据流传输和处理的协调，从而保证网络中的数据流按照精确的时间顺序进行处理和传输。

请参阅图5，本实施例还提供了一种数据传输方法，该方法包括如下步骤：

S10，在交换机系统上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式。

S20，对电信号形式的以太网数据进行数据处理。

S30，将处理后的电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。

可以理解，本实施例的数据传输方法对应于上述实施例的交换机系统，上述实施例中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

在本实施例中，该交换机系统可支持TSN交换功能，能够确保严格的通信时序，以满足实时性要求，确保高优先级的数据流能够得到优先传输，避免网络拥塞和竞争问题，且允许不同的外接设备共享同一网络，同时满足各自的实时性和带宽需求，而无需为每个外接设备构建单独的网络，能够解决实时性、可靠性、带宽保障和多应用共存等问题。此外，整个交换机系统有多个光口，可以灵活配置为高速光口，其中，万兆光口接其他网络设备组成上行环网扩展网络范围，千兆光口连接终端设备；进而，能够满足轨交行业日益发展的大数据通信网络对高速光口数量和速率提升的需求。此外，由于多个光口都需要外接光模块，大量的负载在上电瞬间会造成极大的冲击电流，具有安全隐患，进而本实施例通过设计光口的供电顺序，可以让光模块在上电时先不供电，减小冲击电流，系统初始化完成后再给光模块分步供电。

本实施例解决了网络通讯中数据传输的可靠性、确定性、实时性和优先级调度等问题；万兆千兆光口速率均可以灵活配置，下行千兆光口连接到终端设备的光口，提供数据传输和网络连接，上行万兆光口连接到更高层次网络或其他网络设备的光口，以扩展网络的范围，并提供网络之间的连接，适应各种复杂环境，能够满足轨交行业日益发展的大数据通信网络对高速光口数量和速率的需求。进而，本实施例突破了TSN万兆交换机全光口(28个千兆光口、4个万兆光口)瓶颈，适用于可靠性和时延要求严苛的时间敏感型应用场景的轨交行业，或用于工业通信设备厂家做二次开发使用，具有较好的实用性。

本申请实施例还提供了一种交换机系统，该交换机系统的存在形式不作限定。示范性地，该交换机系统包括处理器和存储器，其中，存储器存储有计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，以使交换机系统执行本申请的数据传输方法，其中，该方法包括：在交换机系统上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；数据处理电信号形式的以太网数据；将电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备；进而，本实施例中的交换机系统支持TSN功能，能够确保严格的通信时序，以满足实时性要求，确保高优先级的数据流能够得到优先传输，避免网络拥塞和竞争问题，实现数据流传输的可靠性、确定性、实时性和优先级调度；且该交换机系统使用上行千兆光口和万兆光口的组合进行通信，提高了传输速率，进而提供了更高的带宽来满足轨交以太环网的传输要求。

其中，处理器可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)及网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件中的至少一种。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。

其中，存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器用于存储计算机程序，处理器在接收到执行指令后，可相应地执行所述计算机程序。

此外，本申请还提供了一种计算机存储介质，用于储存上述计算机设备中使用的所述计算机程序，其中，所述计算机程序在处理器上执行时，实施上述实施例的数据传输方法，该方法包括：在交换机系统上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；数据处理电信号形式的以太网数据；将电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。

可以理解，上述实施例的数据传输方法中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

上述计算机存储介质可以是非易失性存储介质，也可以是易失性存储介质。例如，该计算机存储介质可包括但不限于为：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交换机系统，其特征在于，包括：

全光以太网接口电路，包括若干个千兆光口和万兆光口，用于在上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将所述光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；

TSN交换电路，用于对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理；

所述全光以太网接口电路还用于将处理后的所述电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。

2.根据权利要求1所述的交换机系统，其特征在于，所述对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理，包括：

获取并识别待转发的以太网数据的类型；

若所述类型为第一类型，则帧解析所述以太网数据，以确定所述以太网数据的转发优先级以及用于转发所述以太网数据的目标光口；

将所述转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，并根据确定结果将所述以太网数据存放至与所述转发优先级对应的转发队列中；

采用与所述转发优先级对应的预设转发策略，从所述转发队列中提取所述电信号形式的以太网数据。

3.根据权利要求2所述的交换机系统，其特征在于，所述将所述转发优先级与当前转发的数据帧的优先级进行比较，以确定是否进行帧抢占，包括：

若所述转发优先级高于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定进行帧抢占，并中断转发所述当前转发的数据帧，以转发所述以太网数据；

若所述转发优先级低于或等于所述当前转发的数据帧的优先级，则确定不进行帧抢占。

4.根据权利要求2所述的交换机系统，其特征在于，在所述根据确定结果将所述以太网数据存放至与所述转发优先级对应的转发队列中之后，还包括：

计算所述以太网数据的目标转发时间戳；所述目标转发时间戳用于在到达所述目标转发时间戳时，触发所述TSN交换电路从所述转发队列中提取相应的所述以太网数据；

在所述将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备之后，还包括：

记录所述目标光口转发所述以太网数据时的实际转发时间戳；

计算所述目标转发时间戳与所述实际转发时间戳的差值，根据所述差值分析所述交换机系统的网络性能。

5.根据权利要求2所述的交换机系统，其特征在于，所述帧解析所述以太网数据，包括：

获取所述以太网数据的长度字段，所述长度字段用于指示所述以太网数据的帧长度；采用预设解析格式，并根据所述长度字段来解析所述以太网数据的帧头、帧尾和数据字段；

在所述帧解析所述以太网数据之后，还包括：

采用预设校验算法来校验所述以太网数据中帧头、帧尾和数据字段是否完整；若确定所述以太网数据不完整，则丢弃所述以太网数据；若确定所述以太网数据完整，则不做处理。

6.根据权利要求2或5所述的交换机系统，其特征在于，所述帧解析所述以太网数据，以确定所述以太网数据的转发优先级以及用于转发所述以太网数据的目标光口，包括：

帧解析所述以太网数据，以获取所述以太网数据的帧头包含的目的MAC地址和优先级标记；

根据所述优先级标记识别转发优先级，以及根据所述目的MAC地址确定目的接口。

7.根据权利要求2所述的交换机系统，其特征在于，还包括：

若所述类型为第二类型，则按照所述第二类型对应的预设转发机制来转发所述以太网数据。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的交换机系统，其特征在于，还包括：电源模块，其中，所述电源模块包括第一级电源单元和第二级电源单元，所述第一级电源单元包括第一电源子单元和第二电源子单元；

所述第一级电源单元用于根据接收到的外部输入电源的电流类型来选取相应的所述第一电源子单元或所述第二电源子单元，以对所述外部输入电源进行电源转换后输出至所述第二级电源单元；

所述第二级电源单元用于将电源转换后的外部输入电源转换为目标电压值的电源电压，所述电源电压用于为所述交换机系统的各个模块及电路供电。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的交换机系统，其特征在于，还包括：

复位电路，用于在上电时，输出复位信号，所述复位信号用于触发所述交换机系统执行初始化处理，以使得所述全光以太网接口电路接收电源电压，以执行所述接收外部设备输入的光信号的步骤；

继电器告警模块，用于若检测到所述目标光口的转发过程出现异常，则发出告警信息。

10.一种数据传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项所述的交换机系统，所述方法包括：

在交换机系统上电时，通过相应光口接收外部设备输入的光信号形式的以太网数据，并将所述光信号形式的以太网数据转换为电信号形式；

对所述电信号形式的以太网数据进行数据处理；

将处理后的所述电信号形式的以太网数据转换为光信号形式，并将所述光信号形式的以太网数据通过目标光口转发至目的设备。