TWI758946B

TWI758946B - 電信等級網路交換機

Info

Publication number: TWI758946B
Application number: TW109139402A
Authority: TW
Inventors: 張聰賢; 陳國樑; 王慶橖
Original assignee: 榮群電訊股份有限公司
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-03-21
Also published as: TW202220414A

Abstract

本電信等級網路交換機是一個2U/1.5U高度機框的設備，由兩個子網路交換機所組成。依照客戶組網需求，兩個子網路交換可以設定為兩個獨立網路交換機，各自執行網路交換功能；或者將兩個子網路交換機設定為相互保護切換的電信等級網路交換機，當其中之一子網路交換機發生故障時，透過控制處理器對硬體線路監控、偵測和處理，其低速接口介面單元會快速地被切換到另一個子網路交換機上，不中斷訊務傳送工作。所有單元及模組均透過高速背板轉接，在不中斷交換機工作之下，可提供單元或模組維修或更新工作。

Description

電信等級網路交換機

本揭示文件係關於電信等級網路交換機，特別是一種2U/1.5U高度機框具有熱插拔保護切換功能的網路交換機。2U高度機框中的每個低速接口介面單元支持16個光接口；1.5U高度機框中的每個低速接口介面單元支持8個光接口。

目前數據服務公司(Data Service Provider)所用的網路交換機大部分是工業等級的硬體線路設計。除了電源及風扇部分具有熱插拔保換切換外，其最重要的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元和低速接口介面單元不具備熱插拔保護切換功能。為達到傳輸高可靠度之要求，一般借助兩套網路交換機相互連接，並透過獨立控制設備來進行傳輸保護切換，(亦即所謂的高可用度，High Availability)，此不符合傳統電信營運商需求。

在傳統電信服務公司，所有的電信設備都需要以最高的可靠度來設計，(設備達到99.999%可靠度，每年平均中斷服務時間不得超過5分15秒)。在數據服務供應商的數據中心中，是由多個網路交換機所組成，彼此以高速光纜線相互連接。(設備達到99.9%可靠度，每年平均中斷服務時間不得超過 8小時46分)當其中一個交換機發生問題或故障時，控制中心會偵測故障交換機之所在，並發出命令讓數據流切換到正常的交換機，以繼續提供訊務服務。由於控制中心所控制的交換機數量龐大且分散在各地，可能無法及時偵測出故障設備之所在、立即做出正確處理導致保護切換的時間不一致，因此無法滿某些特殊通信需求，如5G系統中的超可靠低延遲通信(ultra-reliable low latency communication, URLLC)的中1毫秒(1ms)保護切換的要求。

本揭示文件的一實施例中電信等級網路交換機是由兩個子網路交換機所組成。依照客戶組網需求，兩個子網路交換可以設定為兩個獨立網路交換機；或者將兩個子網路交換機設定為相互進行保護切換的電信等級網路交換機。當其中之一發生故障時，透過控制處理器對硬體線路監控、偵測和處理，快速地進行執行切換工作。例如第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元發生故障時，其相對低速接口介面單元會被切換至第二子網路交換機，繼續執行收發訊務；反之亦然。

本揭示文件的另一實施例中，是將兩個子網路交換機設定為互相進行保護切換的電信等級網路交換機。在第一子網路交換機中某一個低速接口介面單元中的某一個接口發生故障時，此一接口會被切換至第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元中的相對接口介面上，繼續執行收發訊務。若是在第一子網路交換機中的低速接口介面單元中數個接口發生故障時，亦會同時被切換至第二子網路交機換中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元中的相對接口介面上。

綜上所述，電信等級網路交換機中兩個子網路交換機中，各自有一個控制處理器，隨時監控己方工作狀況。控制處理器如偵測到交換機中硬體故障訊息、或因軟體問題經由高速交換芯片產生的告警訊息，立即處理並將訊息通知他方的控制處理器，經兩者共同研判，起動傳輸路徑選擇器，將低速接口介面單元切換至正常的子網路交換機。此包含高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元的切換和低速接口介面單元的切換。

在本文中所使用的用詞『包含』、『具有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

於本文中，當一元件被稱為『連結』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連結』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本揭示文件。

請參考第1圖，第1圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換機10的示意圖。電信等級網路交換機10由高度H1、長度L1及寬度W1的機框所裝載，系統機框包含交流-直流(AC-DC)電源轉換單元20、直流-直流(DC-DC)電源轉換單元30、第一子網路交換機低速接口介面單元120a、第二子網路交換機低速接口介面單元120b、第一子網路交換機高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a、第二子網路交換機高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b、網路管理與衛星導航時鐘信號介面單元40、風扇散熱模組50及高速信號轉接電路背板140。

如第1圖所繪示，電信等級網路交換機10之機框設計為全前方接取(All front-access)設計，包括電源轉換單元的熱插拔、低速接口介面單元的熱插拔、高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元的熱插拔、和風扇模組的熱插拔。上述各種單元和模組均直接插入高速信號轉接電路背板140，形成完整的電信等級網路交換機100，同時透過單元的熱插拔，進行單元、模組的維護更換，不中斷交換機的訊務服務。

於一實施例中，高度H1、長度L1及寬度W1分別是不高於(含)2U高度(1U=1機架單位=1.75英吋)、10英吋長度及19英吋寬度，網路交換系統10之高度、長度及寬度不以上述為限，可以根據實際情況有所調整。電源轉換單元可以是交流-直流(AC-DC)轉換電路單元或直流-直流(DC-DC)轉換電路單元的任意組合。

請參考第2圖，第2圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換機100的功能方塊圖。。第一子網路交換機110a包含低速接口介面單元120a及高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a，第二子網路交換機110b包含低速介面電路120b及高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b。上述各單元和模組均透過高速信號轉接電路背板140相連接。詳細的操作將在後續描述。

請參考第3圖，第3圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換機100詳細功能方塊圖。第一子網路交換機中的低速接口介面單元120a及第二子網路交換機中的低速接口介面單元120b各自包含低速接口介面收發器121及傳輸路徑選擇器122。為了方便說明，第3圖只繪示6組低速接口介面收發器121及傳輸路徑選擇器122，然而低速接口介面收發器121及傳輸路徑選擇器122的數量不以此為限，可以根據實際情況有所調整。

低速接口介面收發器121用以收發訊務，傳輸路徑選擇器122用以控制輸入之訊務經由高速信號轉接電路背板140再傳送到第一子網路交換機110a中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a或第二子網路交換機110b中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b。對下行訊務而言，傳輸路徑選擇器122是根據電信等級網路交換機100的系統工作狀況選擇訊務傳送路徑是現用路徑(第一路徑)或備用路徑(第二路徑)。對於由下一層網路設備送來的上行訊務而言，傳輸路徑選擇器122可用以使輸入之訊務同時藉由第一路徑及第二路徑可同時(1 +1保護模式)或個別( 1:1保護模式)傳送到第一子網路交換機110a中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a及第二子網路交換機110b中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b。

於一實施例中，低速介面收發器121可以是10Gbps/25Gbps/40Gbps/100Gbps物理層介面收發器，具備IEEE 1588v2精準時鐘同步功能以及支援多層網路協定運作模式。

第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a及第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b各自包含高速網路交換芯片131、控制處理器132及高速接口介面收發器133。經由高速接口介面收發器133傳送上一層網路設備傳送下來的數據封包，被傳送至高速網路交換芯片131，做數據封包的拆解、處理，按IEEE規範中要求將數據再打包，依網路設定地址，傳送至相對的輸出埠，經過高速信號轉接電路背板140，傳送到傳輸路徑選擇器122，最後經由低速接口介面收發器 121，將數據傳送至下一層網路設備。反之；由下一層網路設備所傳送來數據封包，經由低速接口介面收發器121 和傳輸路徑選擇器122，經過高速信號轉接電路背板140，傳送至高速網路交換芯片131，經處理後再經高速接口介面收發器133，再往上一層網路設備傳送。每個子網路交換機中的線路監測點所產生的訊息經由 FPGA收集、處理再傳送給控制處理器 132。電信等級網路交換機100中的兩個控制處理器132是以10Gbps或PCIe接口介面連結，隨時將自身所收集到的訊息告知對方，以啟動傳輸路徑選擇器122的傳輸路徑。

於一實施例中，高速網路交換芯片131可以是100Gbps/400Gbps網路交換器，用以執行低速端(10Gbps/25Gbps/40Gbps/100Gbps)訊務與高速端(100Gbps/400Gbps)訊務之間的封包處理、交換和傳送，具有網路第二層(資料連結層， Data Link Layer)交換功能及網路第三層(網路層，Network Layer)路由器功能，並支援虛擬網路架構(network functions virtualization，NFV)功能。

於一實施例中，第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a及第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b的高速網路交換芯片131都各有兩個高速堆疊埠(Stacking Port)，例如100Gbps堆疊埠，用來將兩個高速網路交芯片131堆疊組合，當第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a的高速網路交換芯片131之高速介面接口產生壅塞現象時，一部分封包會經由第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的高速網路交換芯片131的堆疊埠送往第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b的高速網路交換芯片131的堆疊埠，再經由第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b的高速網路交換芯片131之高速介面接口經高速接口介面收發器133往上一層的網路設備傳送。

於一實施例中，控制處理器132可以是中央處理器、微處理器或其他具有系統管理、監控、設定與維護功能之處理器，並具有IEEE 1588v2 1-step PTP (precision time protocol)精準同步時鐘演算法之運算功能，如Intel X86 系列或 ARM based 處理器。控制處理器132用於電信等及網路交換機100之保護切換條件之認定與執行。

於一實施例中，高速接口介面收發器133可以是100Gbps物理層介面收發器，以4組25Gbps數據流組成100Gbps訊務，或8組50Gbps 數據劉組成 400Gbps 訊務，具備IEEE 1588v2精準時鐘同步功能以及支援多層網路協定運作模式。

請參考第4圖，第4圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換機100操作示意圖。在正常操作下，電信等級網路交換機100經由低速接口介面單元120a或低速接口介面單元120b的低速介面收發器121接收輸入下一層網路設備所傳送的訊務。藉由傳輸路徑選擇器122切換為現用路徑，使得第一子網路交換機中的低速接口介面單元120a中的輸入訊務經由現用路徑傳送到高速信號轉接電路背板140再到高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a，第二子網路交換機中的低速接口介面單元120b中的輸入訊務經由現用路徑傳送到高速信號轉接電路背板140再到高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b。

第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的網路交換芯片131接收到輸入訊務後，經過處理後傳送到高速接口介面收發器133，經由高速接口介面收發器133往上一層的網路設備傳送。同樣地，第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b中的網路交換芯片131接收到輸入訊務後，經過處理後傳送到高速接口介面收發器133，經由高速接口介面收發器133往上一層的網路設備傳送。第4圖中，現用路徑(第一路徑)以實線表示輸入訊務傳送的路徑，備用路徑(第二路徑)以虛線表示非輸入訊務傳送的路徑。

請參考第5圖，第5圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換機100操作示意圖。當電信等級網路交換機100的接口故障時，例如第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a的高速網路交換芯片131的第2個接口故障時，低速接口介面單元120a的第二個通道會經由第二個傳輸路徑選擇器122由現用路徑切換到備用路徑，接著輸入訊務經由備用路徑傳送到第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b中的高速網路交換芯片131的第2個接口，完成後續操作。故障的接口數量不限於一個，當多個接口故障時，故障接口之對應的傳輸路徑選擇器122都能夠迅速切換至備用路徑完成後續操作。

相反地，當第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b的高速網路交換芯片131的第2個接口故障，低速接口介面單元120b的第二個通道會經由第二個傳輸路徑選擇器122由現用路徑切換到備用路徑，接著輸入訊務經由備用路徑傳送到第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的高速網路交換芯片131的第2個接口，完成後續操作。故障的接口數量不限於一個，當多個接口故障時，故障接口之對應的切換開關傳輸路徑選擇器122都能夠迅速切換至備用路徑完成後續操作。

請參考第6圖，第6圖繪示根據本揭示文件之一實施例的高速網路交換芯片131操作示意圖。當電信等及網路交換機100中的高速網路交換芯片131故障時，例如第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的高速網路交換芯片131故障，則第一子網路交換機中的低速接口介面單元120a中所有的傳輸路徑選擇器122都會切換到備用路徑(第二路徑)，使進入低速接口介面單元120a的輸入訊務都會經由備用路徑傳送到第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b的接口，之後由高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b中的網路交換器131完成後續操作。

相反地，當第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b中的高速網路交換芯片131故障，則第二子網路交換機中的低速接口介面單元120b中所有的傳輸路徑選擇器122都會切換到備用路徑(第二路徑)，使進入低速接口介面單元120b的輸入訊務都會經由備用路徑傳送到第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a的接口，之後由高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的網路交換器131完成後續操作。

於一實施例中，第一子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a中的控制處理器132(設定為主控制處理器，Master)及第二子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130b中的控制處理器132(設定為從控制處理器，Slave)之間是以一個10Gbps網路通道連接，兩個控制處理器132會互相備份各自運作時所有的參數，當第一子網路交換機110a發生故障時，控制處理器132啟動保護切換。第二子網路交換機110b接管第一子網路交換機110a的訊務，同時其控制處理器132繼續監管系統運作，其扮演的腳色從Slave 轉變成 Master。反之亦然。

於一實施例中，電信等級網路交換機100可以提供使用者設定為一比一的使用模式。當一比一的使用模式時，由上一層網路設備傳送訊務分別傳送給第一子網路交換機110a 和第二子網路交換機110b，經2個網路交換機中的控制處理器132 的控制及處理，若是兩個子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a和 130b 均處正常狀態下，下行的訊務分別從第一子網路交換機110a中的高速網路交換芯片131a 的前半部分(例如第1~第8或第1~第16)接口經由低速接口介面單元120a傳送給下一層網路設備，第二子網路交換機中的高速網路交換芯片131b 的後半部分(例如第9~第16或第17~第32)接口經由低速接口介面單元120b傳送給下一層網路設備。假若第一子網路系統中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a損壞時，其低速接口介面單元120a會被切換至第二子網路交換機中的高速網路交換芯片 131b的前半部分(例如第1~第8或第1~第16)接口，繼續執行收發訊務。由下層網路設備所傳送的訊務，經低速接口介面單元 120a 和 120b各自傳送給第二子網路交換機110b 中的高速網路交換芯片131b中的前半部分(例如第1~第8 或第1~第16)接口和後部分(例如第9~第16或第17~第32)接口。反之亦然。

於一實施例中，電信等級網路交換機100可以提供使用者設定一加一的使用模式。當被設定為一加一的使用模式時，由上一層網路設備傳送的訊務同時傳送給第一子網路交換機110a 和第二子網路交換機110b，經2個網路交換機中的控制處理器132 的控制及處理，若是兩個子網路交換機中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a和 130b 均處正常狀態下，下行的訊務分別從第一子網路交換機中的高速網路交換芯片131a 的前半部分(例如第1~第8或第1~第16)接口經由低速接口介面單元120a傳送給下一層網路設備，第二子網路交換機中的高速網路交換芯片131b 的後半部分(例如第9~第16 或第17~第32)接口經由低速接口介面單元120b傳送給下一層網路設備。假若第一子網路系統中的高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元130a損壞時，其低速接口介面單元120a會被切換至第二子網路交換機中的高速網路交換芯片 131b的前半部分(例如第1~第8或第1~第16)接口，繼續收發訊務。不管第一子網路交換機110a 或第二子網路交換機110b 的狀態為何，下層一網路設備所傳送的訊務，經低速接口介面單元 120a 和 120b各自分別同時傳送給兩個子網路交換機110a 、110b 中的高速網路交換芯片131a和 131b，以繼續執行後續工作。

於一實施例中，低速接口介面收發器121及高速接口介面收發器133具有系統自我測試(in system diagnostic Test)之訊號產生器與檢驗器，可以執行近端回接測試 (near-end loopback test)、遠端回接測試 (far-end loopback test)及高速信號開眼圖形監測(eye diagram monitoring)等功能。

於一實施例中，傳輸路徑選擇器122具有時鐘訊號擷取(clock recovery) 信號再生(re-timing)、差動訊號(differential signal pair)極性反轉設定及隨機訊號(pseudo-random binary sequence, PRBS)產生器與高速訊號開眼圖形監測(eye diagram monitoring)等功能，適用於系統測試與參數調整。

於一實施例中，電信等級網路交換系統10配備多重全球衛星導航系統(Multi-GNSS)接收器模組，可以接收美國的全球定位系統GPS、俄羅斯的格洛納斯系統(GLONASS)、中國的北斗衛星導航系統(BeiDou)與歐盟的伽利略定位系統(Galileo)的信號，解調出1 PPS (Pulse Per Second) 與 10MHz 精準信號，當作IEEE 1588v2 1-Step PTP 精準時鐘同步網路的參考信號源。

請參考第7圖，第7圖繪示根據本揭示文件之一實施例的操作方法200流程圖。為使第7圖所示之操作方法200易於理解，請同時參考第3圖。操作方法200包含步驟S210、步驟S220及步驟S230。步驟S210，透過現用路徑傳送輸入訊務到第一子網路交換機110a或透過現用路徑傳送輸入訊務到第二子網路交換機110b。步驟S220，當第一子網路交換機110a故障時，控制第二子網路交換裝置110b接收輸入訊務。步驟S230，當第二子網路交換裝置110b故障時，控制第一子網路交換裝置110a接收輸入訊務。

綜上所述，網路交換機藉由雙重架構實現電信等級之高信賴度、具有備用快速保護切換功能之高速網路交換器平台。同時建構與衛星導航精準時鐘同步之高速傳輸交換網路，具備IEEE 1588v2 1-step PTP 封包同步協定與Sync E 同步式網路架構功能。

10:電信等級網路交換機

20:交流-直流電源轉換單元

30:直流-直流電源轉換單元

40:管理與衛星導航時鐘信號介面單元

50:風扇散熱模組

100:電信等級網路交換機

120a:第一子網路交換機低速接口介面單元

120b:第二子網路交換機低速接口介面單元

130a:第一子網路交換機高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元

130b: 第二子網路交換機高速接口介面/高速網路交換處理/控制處理單元

121:低速接口介面收發器

122:傳輸路徑選擇器

131a、131b:高速網路交換芯片

132:控制處理器

133:高速接面介面收發器

140:高速信號轉接電路背板

200:操作方法

S210、S220、S230:步驟

H1:高度

L1:長度

W1:寬度

第1圖繪示根據本揭示文件之一實施例的電信等級網路交換系統之示意圖。第2圖繪示根據本揭示文件之一實施例的網路交換機之功能方塊圖。第3圖繪示根據本揭示文件之一實施例的網路交換機之詳細功能方塊圖。第4圖繪示根據本揭示文件之一實施例的網路交換機之操作示意圖。第5圖繪示根據本揭示文件之一實施例的網路交換機之操作示意圖。第6圖繪示根據本揭示文件之一實施例的網路交換機之操作示意圖。第7圖繪示根據本揭示文件之一實施例的操作方法流程圖。