CN203722633U

CN203722633U - 一种基于fpga的光纤以太网智能分路器

Info

Publication number: CN203722633U
Application number: CN201420087357.3U
Authority: CN
Inventors: 贺前华; 宋伟
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2024-02-27

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，其前端部分通过光纤连接光网络，后端部分通过光纤连接局域网；包括：串口通信模块、上位机、电源转换模块以及依次连接的光信号处理模块、FPGA模块和电信号处理模块；所述电源转换模块和串口通信模块的一端均与FPGA模块相连接，所述串口通信模块的另一端和上位机相连接；所述上位机和电信号处理模块之间连接有相互并联的主用设备和备用设备，所述上位机是检测主用设备或备用设备的心跳信号和控制信号的上位机；所述主用设备和备用设备连接光纤以太网智能分路器的中间部分，具有克服了原有单一技术应用上的缺陷，能够确保通信的稳定性和可靠性等优点。

Description

一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器

技术领域

本实用新型涉及一种网络安全技术，特别涉及一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器。

背景技术

随着信息化建设的不断推进，企业的信息化已经非常普遍，各个企事业单位的活动越来越多的依赖于其关键的业务信息系统，这些业务信息系统对整个机构的运营和发展起着至关重要的作用。如果一些关键设备一旦发生宕机故障或应用停机，将给企业带来巨大的经济损失，并且由于业务的不可用而影响了企业的信誉，致使客户对企业失去信任，所造成的危害是致命的。同时，目前各个企事业单位在网络建设时大部分直接使用光纤为传输介质建立骨干网，而内部局域网的设备传输介质一般为铜线，如何实现局域网设备同光纤主干网相连呢？这就需要在不同端口、不同线形、不同光纤间进行转换并保证链接质量，将双绞线电信号和光信号进行相互转换，确保数据包在两个网络间顺畅传输。

目前，现有的网络设备大部分都采用电接口，如果需要接入光网络，还需在前级加入光纤收发器实现光信号和电信号的转换；同时，为了更好的确保关键网络设备通信质量以及通信的可靠性，在通信系统中经常采用备份法，即除了正常传输信息的主用工作设备外，还有备用设备，一旦主用设备发生故障或是误码率超过一定的门限值，即切换到备用设备，利用备用设备进行通信；我们这里采用一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，解决了上述的问题，低成本地实现了光电信号转换和关键网络设备的备份处理，并且可以很容易扩展到多机备份。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，该光纤以太网智能分路器利用FPGA实现对光电信号之间数据帧的转换，根据监测信息通过不同的链路切换策略实现网络设备的备份处理，用于完成把电接口设备串入光纤主干网络和关键设备的备份处理。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，其前端部分通过光纤连接光网络，后端部分通过光纤连接局域网；包括：串口通信模块、上位机、电源转换模块以及依次连接的光信号处理模块、FPGA模块和电信号处理模块；所述电源转换模块和串口通信模块的一端均与FPGA模块相连接，所述串口通信模块的另一端和上位机相连接；所述上位机和电信号处理模块之间连接有相互并联的主用设备和备用设备，所述上位机是检测主用设备或备用设备的的心跳信号和控制信号的上位机；所述主用设备和备用设备连接光纤以太网智能分路器的中间部分；把主用设备串入网络，对各链路数据帧的数据包统计和检测，根据数据统计信息判断当前系统的工作情况，当判断出主用设备发生故障或是误码率超过一定的门限值时，切换到备用状态，将主用设备从系统切除，并将备用设备串入网络，利用备用设备进行通信，系统仍能不间断地进行工作，从而保证网络不因单个设备的故障而瘫痪；所述光信号处理模块具有输入光信号接口、输入端SFP光收发器、输入端串并转换芯片、光开关、输出光信号接口、输出端SFP光收发器和输出端串并转换芯片，所述输入端串并转换芯片和输出端串并转换芯片均与FPGA模块相连接；所述电信号处理模块具有相互连接的RJ-45接口、网络变压器和千兆以太网PHY收发器，所述千兆以太网PHY收发器与FPGA模块连接，所述主用设备和备用设备均通过RJ-45接口与电信号处理模块连接。

所述的FPGA模块采用现有技术中所使用的Altera公司的Cyclone III芯片。

所述的千兆以太网PHY收发器采用瑞昱公司的RTL8212芯片，它可以同时实现二路以太网数据通路的收发处理；光信号经过SFP光收发器处理后变成串行差分信号（LVPECL），然后通过串并转换(SERDES)芯片的处理后变为TBI信号，通过TBI接口连接到FPGA；所述的RJ-45接口具有双层，串口通信模块采用的芯片为MAX3232，主要工作是完成RS232电平和TTL电平相互转换；电源转换模块采用DC-DC模块，将外接的-48V通信标准电压转换为控制电路所需的各类工作电压。

本实用新型具备硬件直通功能，当需要进行设备升级或者维修的情况下，系统先切换到掉电直通工作状态，然后进行设备升级或者维修，保证主干网络不中断。

本实用新型的光纤以太网智能分路器通过串口与上位机通信，从而获取主用设备和备用设备的心跳信号以及向主用设备和备用设备发出控制信号。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、将光电信号转换功能、数据检错及流量统计和智能切换控制功能统一在一起，克服了原有单一技术应用上的缺陷，从而实现了把电接口设备串入光纤主干网络和关键设备的备份处理，对维护关键网络设备的稳定具有重要实际意义。

2、本实用新型在提供软件直通功能的同时还包含硬件直通，即使在无电源供应时也能通过硬直通确保主光路的通信，确保通信的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是智能分路器的组成结构框图。

图2是智能分路器的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，智能分路器前端部分连接到外部光网络，中间部分连接主用设备和备用设备，后端部分通过光纤连接到局域网。正常情况下，把主用设备串入网络，一旦主用设备发生故障或是误码率超过一定的门限值，即切换到备用设备，利用备用设备进行通信，系统仍能不间断地进行工作，从而保证网络不因单个设备的故障而瘫痪。

如图2所示，一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，串口通信模块、上位机、电源转换模块以及依次连接的光信号处理模块、FPGA模块和电信号处理模块；所述电源转换模块和串口通信模块的一端均与FPGA模块相连接，所述串口通信模块的另一端和上位机相连接；所述上位机和电信号处理模块之间连接有相互并联的主用设备和备用设备，所述上位机是检测主用设备或备用设备的的心跳信号和控制信号的上位机；所述主用设备和备用设备连接光纤以太网智能分路器的中间部分；电信号处理模块包括RJ-45模块、网络变压器和千兆以太网PHY收发器这三部分，智能分路器选用的是带网络变压器的双层RJ-45接口，物理层芯片千兆以太网PHY收发器选用的是瑞昱公司的RTL8212芯片，它可以同时实现二路以太网数据通路的收发处理；光信号处理模块由SFP光收发器和串并转换(SERDES)芯片组成，光信号经过SFP光收发器处理后变成串行差分信号（LVPECL），然后通过串并转换(SERDES)芯片的处理后变为TBI信号，通过TBI接口连接到FPGA；串口通信模块选用的芯片为MAX3232，主要工作是完成RS232电平和TTL电平相互转换；电源转换模块采用专用的DC-DC模块，将外接的-48V通信标准电压转换为控制电路所需的各类工作电压；FPGA模块采用Altera公司的Cyclone III芯片，最大可支持6路以太网数据接口。FPGA模块提供各种协议的实现，包括光电转换数据帧的处理和串口通信（UART）协议的实现。

FPGA模块在切换过程中，存在四种切换状态，K0表示硬件直通状态，光输入信号通过光开关电路直接连接到输出，没有经过电路内部的处理；K1表示软件直通，光信号经过光模块及串并转换后，在FPGA内部连接到另一端，通过串并转换和光模块后以光信号输出；K2表示主用链路状态，光输入信号通过光处理模板部分处理后，通过FPGA内部信号连接至千兆PHY芯片，通过RJ45接口把S1设备串入通信网络，并通过另一端返回；K3表示备用链路状态，同K2的处理过程，把设备S2串入通信网络。具有二条通路的智能分路器，可以用在需要备用保护的系统，当主用链路连接的设备出现问题时，FPGA通过串口检测到异常状态，可以通过切换控制状态到备用链路连接使用备用设备，从而保护系统的稳定工作。

以上详细说明了光纤以太网的智能分路处理过程，给出了实现光纤以太网智能分路的一种方法，用于完成把电接口设备串入光纤主干网络和关键设备的备份处理。

本实用新型实现了把电接口设备串入光纤主干网络和关键设备的备份处理，当所述的主用设备发生故障或误码率超过一定的门限值，即切换到备用设备，利用备用设备进行通信，切换过程不影响主干网络的运行；当需要进行设备升级或者维修的情况下，系统先切换到掉电硬件直通工作状态，然后进行设备升级或者维修，保证主干网络不中断，以维护关键网络设备的稳定性和可靠性。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于FPGA的光纤以太网智能分路器，其前端部分通过光纤连接光网络，后端部分通过光纤连接局域网；包括：串口通信模块、上位机、电源转换模块以及依次连接的光信号处理模块、FPGA模块和电信号处理模块；所述电源转换模块和串口通信模块的一端均与FPGA模块相连接，所述串口通信模块的另一端和上位机相连接；

其特征在于，所述上位机和电信号处理模块之间连接有相互并联的主用设备和备用设备，所述上位机是检测主用设备或备用设备的的心跳信号和控制信号的上位机；所述主用设备和备用设备连接光纤以太网智能分路器的中间部分；

所述光信号处理模块具有输入光信号接口、输入端SFP光收发器、输入端串并转换芯片、光开关、输出光信号接口、输出端SFP光收发器和输出端串并转换芯片，所述输入端串并转换芯片和输出端串并转换芯片均与FPGA模块相连接；

所述电信号处理模块具有相互连接的RJ-45接口、网络变压器和千兆以太网PHY收发器，所述千兆以太网PHY收发器与FPGA模块连接，所述主用设备和备用设备均通过RJ-45接口与电信号处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光纤以太网智能分路器，其特征在于，所述的FPGA模块采用Altera公司的Cyclone III芯片。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的光纤以太网智能分路器，其特征在于，所述的千兆以太网PHY收发器采用瑞昱公司的RTL8212芯片，所述的RJ-45接口具有双层，串口通信模块采用的芯片为MAX3232，电源转换模块采用DC-DC模块。