RU187252U1 - 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, связанные шиной с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), 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, датчик пыли, блок WiFi, блок индикации, блоки LTE, выходы которых соединены с входами соответствующих первых портов ввода информации; PCI переключатель, первый вход/выход которого связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), второй вход/выход - с микроконтроллером, а третий вход/выход с остальными элементами устройства.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все ее элементы выполнены с использованием цифровых технологий.

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 // HayкоBi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна техшка»). - №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.

Цель полезной модели - создание модульной архитектуры на базе FPGA и PCI коммутатора, позволяющей создать единую платформу и гибко переходить с высокопроизводительных решений на бюджетные решения без потери функциональности (WiFi модуль, LTE модемы).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной с микроконтроллером, первые порты ввода информации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), 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, датчик пыли, выходы которых соединены с входами соответствующих первых портов ввода информации; PCI переключатель, первый вход/выход которого связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), второй вход/выход - с микроконтроллером; блок WiFi,

блок индикации, блоки LTE и первые порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с третьим входом/выходом PCI переключателя.

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 структура абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями в составе: микроконтроллер 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, порты ввода информации 5, шина адреса и данных 7, датчик температуры окружающей среды 10, датчик температуры системы охлаждения 11, датчик пыли 15, приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 12, вторые порты ввода/вывода информации 13; блок WiFi 6, модули LTE 9, блок индикации 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 7 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 PCI switch 14, предназначенному для коммутации PCIe интерфейсов между платой СОМ express (CPU архитектуры х86) и FPGA (CPU архитектуры ARM). 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 10, температуры системы охлаждения vCPE 11 и датчиком пыли 15, что позволяет контролировать через CPU 1 температурный режим работы устройства и его запыленность.

Приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 12 - 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.

Датчик пыли 15 предназначен для информирования о необходимости своевременного технического обслуживания устройства, а также для предотвращения выхода из строя комплектующих. Программное обеспечение датчика пыли 15 осуществляет циклический опрос и отображает уровень запыленности по условной шкале, имеет возможность формирования и автоматической отправки уведомлений о сигнале критичной запыленности датчика.

Использование PCI switch 14 коммутатора позволит реализовать единое модульное решение платы vCPE с возможностью вывода необходимых интерфейсов для модуля Wi-Fi, LTE модемов, SSD диска и т.п. вне зависимости от используемого CPU (х86 или ARM).

Таким образом, рассмотренное техническое решение позволит использовать CPU разной архитектуры (х86 или ARM) и производительности, что в свою очередь даст возможность предлагать абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями в широком диапазоне функциональности и стоимости.

Claims (2)

1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной с микроконтроллером, первые порты ввода информации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), 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, датчик пыли, выходы которых соединены с входами соответствующих первых портов ввода информации; PCI переключатель, первый вход/выход которого связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), второй вход/выход - с микроконтроллером; блок WiFi, блок индикации, блоки LTE и первые порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с третьим входом/выходом PCI переключателя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все ее элементы выполнены с использованием цифровых технологий.

Images