RU179335U1 - Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером; первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером; приемопередающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA); вторые порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации; блок IP мониторинга, первый вход/выход которого соединен с первым входом/выходом микроконтроллера; система питания в составе второго микроконтроллера, второго постоянного запоминающего устройства, второго оперативного запоминающего устройства, блока ввода информации, блока вывода информации, блока индикации, объединенные между собой шиной адреса и данных; блока дистанционного контроля и управления, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом блока IP мониторинга, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, а первый вход - со вторым выходом блока вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен с третьим входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блока управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источника бесперебойного питания, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления мощностью, второй выход - с первым входом блока ввода информации, а вход - с третьим выходом блока вывода информации; блока управляемого реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления; блока коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом блока управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; блок WiFi, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом блока IP мониторинга.

Description

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).

Операторы связи ищут новые пути генерации потоков прибыли, более гибкой организации предоставления услуг, сокращения затрат на обслуживание инфраструктуры и автоматизации управления. Ответом на подобные потребности является концепция NFV (Network Function Virtualization) - виртуализация сетевых функций. Разработчики решений пытаются предложить операторам новые бизнес-кейсы, которые бы сделали применение технологии экономически эффективным. Среди потенциально привлекательных кейсов выделяется vCPE (virtual Customer Premises Equipment или «виртуализация абонентских сетевых устройств»).

Одним из основных подходов к внедрению vCPE является Edge модель, где все виртуальные функции размещаются на стороне клиента на недорогом устройстве (микро-сервере с достаточным количеством Ethernet-портов), который является локальной NFV инфраструктурой (NFVI) для конкретного заказчика. При использовании подхода с созданием небольшой виртуальной инфраструктуры на клиентских устройствах не нужно огромного пула ресурсов и затраты появляются только в тот момент, когда клиент заказывает услугу.

Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям виртуализации абонентских сетевых устройств, является устройство, описанное в статье «Оценка эффективности архитектур сетевых процессоров» (Грищенко В.И., Ладыженский Ю.В., Юнис М. Основные направления развития современных сетевых процессоров / Д.Д. Моргайлов, Ю.В. Ладыженский, М. Юнис // Науковi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна технiка»). - №14 (188). - с. 123-127.) - прототип.

Данное устройство содержит микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером; первый блок питания.

Цель полезной модели - мониторинг состояния абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями и его бесперебойное питание.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с первым микроконтроллером; первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с первым микроконтроллером; приемопередающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA); вторые порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих первых портов ввода информации; блок IP мониторинга, первый вход/выход которого соединен с первым входом/выходом первого микроконтроллера; система питания в составе второго микроконтроллера, второго постоянного запоминающего устройства, второго оперативного запоминающего устройства, блока ввода информации, блока вывода информации, блока индикации, объединенные между собой шиной адреса и данных; блока дистанционного контроля и управления, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом блока IP мониторинга, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, а первый вход - со вторым выходом блока вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен с третьим входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блока управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источника бесперебойного питания, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления мощностью, второй выход - с первым входом блока ввода информации, а вход - с третьим выходом блока вывода информации; блока управляемого реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления; блока коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом блока управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; блок WiFi, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом блока IP мониторинга.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, в состав которого входят абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (прототип) 1, блок IP мониторинга 2, блок WIFI 3, система питания 4, среда передачи данных (IP Network) 5; на фиг. 2 - структура абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями 1 в составе: микроконтроллер 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 3, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 4, порты ввода информации 5, шина адреса и данных 6, датчик температуры окружающей среды 7, датчик температуры системы охлаждения 8, приемопередающие модули Ethernet (PHY) 9(10), вторые порты ввода/вывода информации 11; на фиг. 3 представлена система питания 4, состоящая из второго микроконтроллера 4-1, второго постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 4-2, второго оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 4-3, блока ввода информации 4-4, блока вывода информации 4-5, блока индикации 4-13, объединенные между собой шиной адреса и данных 4-6; блока дистанционного контроля и управления 4-10, блока измерения нагрузки 4-9, блока управления мощностью 4-8, источника бесперебойного питания 4-7, блока управляемого реле 4-11 и блока коммутируемых источников питания 4-12.

На фиг. 4 показана реализация блока WiFi 3, на фиг. 5 представлена реализация блока управления мощностью 4-8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Для подключения удаленных офисов, подразделений и т.п., имеющих собственную локальную сеть, с применением сервисов точка-точка, точка-многоточка и многоточка-многоточка необходима установка специального оборудования, размещаемого на стороне заказчика, однако обслуживаемого централизованно (например, поставщиком услуги или центральным офисом). В этом случае наиболее современным подходом является внедрение концепции SDN/SD-WAN и поддержка сервисов NFV, внедряемых централизованно (например, в дата-центре оператора) или распределено (как на vCPE, так и на опорной сети, и в дата-центре).

Внедрение NFV позволит операторам и крупным корпоративным заказчикам трансформировать сетевую инфраструктуру за счет отказа от использования специализированного сетевого оборудования в пользу полностью программных и виртуализированных решений.

Для применения технологии NFV необходима виртуализация абонентского оборудования путем использования vCPE. При подключении нового клиента, помимо установки демаркационного устройства, которое разделяет сеть клиента и сеть оператора, перед сервис-провайдером часто возникает задача реализации дополнительных функций - например, для контроля и управления соединениями и трафиком, решения бизнес-задач клиента и т.д. Так, многим корпоративным заказчикам требуются такие дополнительные функции, как межсетевой экран (Firewall), поддержка VPN и защита от DDoS.

Для того чтобы реализовать такие сервисы сегодня, нужно доставить, установить, настроить, а затем еще и обслуживать соответствующее оборудование на стороне клиента. NFV помогает решить эту задачу гораздо более эффективным образом, а именно за счет виртуализации сетевых функций в программных приложениях, которые можно запустить как на обычных серверах, так и на виртуальных машинах, работающих на этих серверах. В этом случае оператор может, используя лишь одно сетевое интерфейсное устройство для разграничения трафика, «разместить» все остальные функции, такие как межсетевой экран, на своей территории, а для упрощения сети и управления ею, в частности для построения цепочек сервисов, внедрить SDN.

Основное назначение предлагаемого устройства - построение сети архитектуры SD-WAN операторами связи и для корпоративных сетей. Для этого используются устройства vCPE, устанавливаемые на стороне сети заказчика и позволяющие реализовывать SDN подход к управлению сетями и внедрению сервисов согласно идеологии NFV.

Для реализации абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) взята известная структура построения сетевых процессоров (прототип) с центральным процессором (CPU) 1, связанным шиной адреса и данных 6 с портами ввода информации 5, и шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. CPU 1 также связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2. Использование микросхем FPGA 2 дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, а также возможность реализации дополнительного функционала при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.

Входы портов ввода информации 5 (фиг. 1) соединены с датчиками температуры окружающей среды 7 и температуры системы охлаждения vCPE 8, что позволяет контролировать через CPU 1 температурный режим работы устройства.

Приемопередающие модули Ethernet (PHY) 9, 10 - интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI.

Микросхемы PHY позволяют другим микросхемам канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи, такой как оптическое волокно или медный кабель. Стандартный микрочип PHY включает в себя модули подуровня физического кодирования (PCS, Physical Coding Sublayer) и подуровня среды передачи (PMD, Physical Medium Dependent). Модуль подуровня физического кодирования выполняет функции кодирования и декодирования передаваемого и принимаемого потока данных. Целью кодирования является упрощение процесса восстановления потока данных приемником.

Работа системы питания 4.

В начальном состоянии блок коммутируемых источников питания отключен. При необходимости подключения блока питания БП1 (блока коммутируемых источников питания 4-12) команда подается по LAN сети в блок дистанционного контроля и управления 4-10. При этом включается реле в блоке управляемого реле 4-11, контакты которого подключают выход питающего напряжения с БП1 к элементам абонентского сетевого устройства 1 и сигнализируют его подключение через блок дистанционного контроля и управления 4-10. При включении БП1 в блоке измерения нагрузки 4-9 вычисляется ток потребления, значение которого передается в блок дистанционного контроля и управления 4-10, а также через блок ввода информации 4-4 в микроконтроллер 4-1 и далее через шину адреса и данных 4-6 и блок вывода информации 4-5 в блок дистанционного контроля и управления 4-10, а затем через блок IP мониторинга 2 контролирующему органу.

Программное обеспечение, заложенное в памяти микроконтроллера 4-1, обеспечивает вычисление по току потребления израсходованной электроэнергии, аналогично счетчикам электроэнергии. Данная информация также отображается по каждому блоку питания (БП1 и БП2) в блоке индикации 4-13 вместе с отображением статуса блоков питания (БП1, БП2) (вкл./выкл.).

Все вычисления проводятся в микроконтроллере IV-1. Возможная реализация блока управления мощностью 4-8 представлена на фиг. 5. В качестве управляющего элемента используется симистор.

Неотъемлемой частью заявляемого устройства является источник бесперебойного питания (ИБП) 4-7, который поддерживает питание БП1 и БП2 в случае пропадания напряжения в централизованной сети. ИБП 4-7 также находится под контролем блока 4-10 через цепи: блок 4-4 - микроконтроллер 4-1 - блок 4-5 - блок 4-10 - LAN сеть. При этом осуществляется контроль уровня зарядки батарей, непосредственно их зарядка и сигнализация режимов работы ИБП 4-7.

Блок измерения нагрузки 4-9 может быть выполнен с использованием датчиков тока на эффекте Холла, датчиков тока компенсационного типа, либо на микросборке ACS712.

Блок дистанционного контроля и управления 4-10 представляет собой активное сетевое устройство, производящее прием-передачу и обработку сигналов на основе сетевых протоколов (например, протоколов TCP/IP).

Микроконтроллер 4-1 представляет собой БИС семейства INTEL 80С51 с тактовой частотой 12-14 МГц.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 4-2 предназначено для хранения памяти данных (максимальный ток потребления коммутатора, ток заряда батареи ИБП 4-7) и команд для микроконтроллера 4-1 и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27С512 емкостью 64 кбайт.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4-3 предназначено для хранения информации, связанной с режимом работы системы. ОЗУ подключено к системной шине адреса и данных 13-6 и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 6264 емкостью 8 кбайт.

Блоки ввода/вывода информации 4-4, 4-5 предназначены для организации 8-разрядных портов ввода/вывода сигналов логического уровня. Они подключены к системной шине 13-6 и представляют собой параллельный разрядный регистр.

Кроме этого, в предлагаемом устройстве используется источник бесперебойного питания (ИБП) 4-7 с добавлением в основной блок питания аккумуляторной батареи и блока ее зарядки. Это обеспечивает бесперебойную работу коммутатора при пропадании основного питающего напряжения 220 В.

Таким образом, рассмотренное техническое решение позволяет осуществлять дистанционный мониторинг основных параметров абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) и обеспечивать его бесперебойную работу.

Claims (2)

1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером; первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером; приемопередающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA); вторые порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации; блок IP мониторинга, первый вход/выход которого соединен с первым входом/выходом микроконтроллера; система питания в составе второго микроконтроллера, второго постоянного запоминающего устройства, второго оперативного запоминающего устройства, блока ввода информации, блока вывода информации, блока индикации, объединенные между собой шиной адреса и данных; блока дистанционного контроля и управления, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом блока IP мониторинга, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, а первый вход - со вторым выходом блока вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен с третьим входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блока управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источника бесперебойного питания, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления мощностью, второй выход - с первым входом блока ввода информации, а вход - с третьим выходом блока вывода информации; блока управляемого реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления; блока коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом блока управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; блок WiFi, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом блока IP мониторинга.

2. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями по п. 1, отличающееся тем, что система питания содержит аккумуляторную батарею, осуществляя бесперебойное питание всего устройства.

Images