Ethernet коммутатор

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности к модульной масштабируемой структуре для построения коммутаторов сетей быстрого Ethernet.
Известные Ethernet коммутаторы содержат N (в зависимости от числа входных портов) однопортовых модулей связи в составе блока управления доступом к передающей среде, стыка RS-232, двух портового оперативного запоминающего устройства, динамического оперативного запоминающего устройства, программного постоянного запоминающего устройства, системной шины, модуля прямого доступа к памяти, блока логики распределения кадров, скоростной шины данных, шины арбитража и управления, обслуживающие N однопортовых модулей связи, и блок питания.
Среди них можно выделить коммутаторы фирм Cisco, D-Link, Qtech и многие другие.
Однако данные коммутаторы в случае пропадания сетевого питающего напряжения не обеспечивают их дальнейшую работу и контроль состояния.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы Ethernet коммутатора в условиях изменяющегося напряжения питающей сети или его полного отсутствия.
Существенное влияние на устойчивую работу коммутаторов оказывают источники питания. Для повышения надежности питания коммутаторов используют резервное питание. В частности, для Ethernet коммутаторов D-Link используют резервные источники питания (RPS) с разъемом для их подключения к источнику переменного или постоянного тока (в зависимости от модели) и разъемом для подключения к внутреннему источнику питания коммутатора. Такое соединение позволяет обеспечить бесперебойное питание в случае неожиданного сбоя внутреннего источника питания коммутатора, который может повлечь за собой выключение самого коммутатора, устройств, подключенных к его портам, или целой сети. Предоставляя необходимую для работы коммутатора выходную мощность, RPS позволяют повысить надежность питания устройства.
RPS непрерывно отслеживает состояние внутреннего источника питания. В случае прекращения подачи питания немедленно запускается резервный источник питания, таким образом, коммутатор локальной сети и подключенные к нему устройства могут продолжать работу. При этом повышается отказоустойчивость сетевой инфраструктуры и выполняется защита от прерывания сетевого соединения по причине сбоя источника питания коммутатора.
Однако наличие резервного источника питания, если он, как и непосредственно коммутатор, подключены к одной и то же питающей сети, не исключает случаи частичного или полного отключения питающей сети, что естественно приводит к снижению устойчивости сетевой инфраструктуры.
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в патенте №2257678 от 31.01.2001 г. - прототип.
Данный коммутатор содержит N однопортовых модулей связи в составе блока управления доступом к передающей среде (MAC&RISC CPU), стыка RS-232, соединенного с MAC&RISC CPU, двухпортового оперативного запоминающего устройства (DPRAM), динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM), программного постоянного запоминающего устройства (EPROM), системной шины, связанной с MAC&RISC CPU, DPRAM, DRAM и EPROM, модуль прямого доступа к памяти (DMA), взаимодействующий с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM), блок логики распределения кадров, взаимодействующий с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM), скоростную шину данных, шину арбитража и управления, обслуживающие N однопортовых модулей связи, блок питания.
Цель полезной модели - контроль состояния и повышение надежности работы коммутатора в условиях изменяющегося напряжения питающей сети и его отсутствия.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее N однопортовых модулей связи в составе блока управления доступом к передающей среде (MAC&RISC CPU), стыка RS-232, соединенного с MAC&RISC CPU, двухпортового оперативного запоминающего устройства (DPRAM), динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM), программного постоянного запоминающего устройства (EPROM), системной шины, связанной с MAC&RISC CPU, DPRAM, DRAM и EPROM, модуль прямого доступа к памяти (DMA), взаимодействующий с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM), блок логики распределения кадров, взаимодействующий с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM), скоростная шина данных, шина арбитража и управления, обслуживающие N однопортовых модулей связи, блок питания, дополнительно введены модуль SFP, соединенный с блоком управления доступом к передающей среде (MAC&RISC CPU), блок IP мониторинга, N выходов/входов которого соединены с соответствующими N выходами/входами N однопортовых модулей связи, система питания в составе: микроконтроллера, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), блока ввода информации, блока вывода информации, объединенные между собой шиной адреса и данных, блока дистанционного контроля и управления (БДКУ), первый выход которого соединен со вторым входом блока ввода информации, первый вход - с N+1 выходом блока IP мониторинга, а третий вход - со вторым выходом блока вывода информации, блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен со вторым входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - с первым входом блока ввода информации, блок управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации, источник бесперебойного питания, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления мощностью, второй выход - с третьим входом блока ввода информации, а вход - с 3 выходом блока вывода информации, блок коммутируемых источников питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, а выход - с входом блока измерения нагрузки, блок управляемых реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления, а выход - с вторым входом блока коммутируемых источников питания.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство 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 решению новой задачи контроля за состоянием коммутатора и повышения надежности его работы в условиях изменяющегося напряжения питающей сети. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - блок-схема системы питания коммутатора, на фиг. 3 - возможная реализация блока управления мощностью, а на фиг. 4 - структура блока коммутируемых источников питания.
Устройство включает: N однопортовых модулей связи в составе: блок SFP 1, блок MAC&RISC CPU 2, блок DPRAM 3, блок логического распределения кадра 4, блок EPROM 5, блок DRAM 6, блок DMA7, интерфейс RS-232 8, системную шину 9, скоростную шину данных 10, шину арбитража и управления 11, блок IP мониторинга 12, блок индикации 14, систему питания 13 в составе: микроконтроллер 13-1, источник бесперебойного питания (ИБП) 13-7, блок коммутируемых источников питания 13-11 в составе блока питания БП1 и блока питания БП2, блок дистанционного контроля и управления (БДКУ) 13-10, блок измерения нагрузки (БИН) 13-9, блок управления мощностью (БУМ) 13-8, блок вывода информации 13-2, блок ввода информации 13-3, шину адреса и данных 13-6, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13-4, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 13-5, блок управляемых реле 13-12.
Устройство работает следующим образом.
Сигналы Ethernet подаются на каждое направление по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) (фиг. 1). В качестве приемопередатчика (трансивера) 1 используется SFP модуль. Трансивер 1 связан с Ethernet.
В блоке MAC&RISC CPU 2, отвечающем за структурирование и обработку поступающих кадров Ethernet, центральный процессорный элемент CPU осуществляет пошаговое исполнение в каждом цикле команды из сокращенного набора. Блок 8 является последовательным интерфейсом согласно протоколу RS-232 с асинхронными стартовым и стоповым битами и контролем четности, соответствующим СОМ интерфейсу персонального компьютера. Блок MAC&RISC CPU 2 связан через системную шину 9, состоящую, например, из 32 битов, с одной стороны, с двухпортовым оперативным запоминающим устройством (DPRAM) 3, а с другой стороны -с динамическим оперативным запоминающим устройством (DRAM) 6, который взаимодействует с функциональным модулем прямого доступа к памяти (DMA) 7, осуществляющим пересылки «память - память» независимо от CPU 2. Стираемое программное постоянное запоминающее устройство (EPROM) 5 связано через системную шину 9 с CPU 2, DRAM 6 и DPRAM 3, а последующая логика распределения кадров 4, обслуживают однопортовые модули связи 1…N, образующие Ethernet коммутатор, соединенные, с одной стороны, со скоростной шиной данных 10, а с другой стороны - с шиной арбитража и управления 11.
Для резервирования питания используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой. В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания).
При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к дополнительному источнику питания.
Для построения надежных систем резервирования питания требуется обеспечить несколько функций: параллельное включение альтернативных источников питания с развязкой, защиту от перегрузок как в процессе работы, так и при горячей смене блоков питания в системе.
Для подключения нагрузки к нескольким источникам питания одновременно с возможностью работы только от одного из них используют технологию ORing.
ORing - это монтажное «ИЛИ» нескольких источников питания для альтернативного питания нагрузки (устройства). По сути это многоканальный коммутатор силовой шины питания, обеспечивающий развязку между источниками питания, малые потери при прохождении тока, безопасное подключение\отключение любого из источников и самой нагрузки. Такая функция используется в устройствах повышенной надежности с резервными источником питания, а также в приборах с автономным (батарейным) питанием, которые периодически подключаются к внешней сети.
При необходимости подключения блока питания БП1 блока коммутируемых источников питания 13-1 команда подается по LAN сети в блок дистанционного контроля и управления 13-10. При этом включается соответствующее реле в блоке управляемых реле 13-12, контакты которого подключают выход питающего напряжения с БП1 к элементам коммутатора и сигнализируют его подключение через блок дистанционного контроля и управления 13-10. При включении БП1 в блоке измерения нагрузки 13-9 вычисляется ток потребления, значение которого передается в блок дистанционного контроля и управления 13-10, а также через блок ввода информации 13-3 в микроконтроллер 13-1 и далее через шину адреса и данных 13-6 и блок вывода информации 13-2 в блок дистанционного контроля и управления 13-10, а затем через блок IP мониторинга 12 контролирующему органу.
Программное обеспечение, заложенное в памяти микроконтроллера 13-1, обеспечивает вычисление по току потребления израсходованной электроэнергии, аналогично счетчикам электроэнергии. Данная информация также отображается по каждому блоку питания (БП1 и БП2) в блоке индикации 14 вместе с отображением статуса блоков питания (БП1, БП2) (вкл./выкл.). Все вычисления проводятся в микроконтроллере 13-1.
Возможная реализация блока управления мощностью 13-8 представлена на фиг. 3. В качестве управляющего элемента используется симистор.
Неотъемлемой частью заявляемого устройства является источник бесперебойного питания (ИБП) 13-7, который поддерживает питание БП1 и БП2 в случае пропадания напряжения в централизованной сети. ИБП 13-7 также находится под контролем блока 13-10 через цепи: блок 13-3 -микроконтроллер 13-1 - блок 13-2 - блок 13-10 - LAN сеть. При этом осуществляется контроль уровня зарядки батарей, непосредственно их зарядка и сигнализация режимов работы ИБП 13-7.
Блок измерения нагрузки 13-9 может быть выполнен с использованием датчиков тока на эффекте Холла, датчиков тока компенсационного типа, либо на микросборке ACS712.
Блок дистанционного контроля и управления 13-10 представляет собой активное сетевое устройство, производящее прием-передачу и обработку сигналов на основе сетевых протоколов (например, протоколов TCP/IP).
Микроконтроллер 13-1 представляет собой БИС семейства INTEL 80С51 с тактовой частотой 12-14 МГц.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13-4 предназначено для хранения памяти данных (максимальный ток потребления коммутатора, ток заряда батареи ИБП 13-7) и команд для микроконтроллера 13-1, и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27С512 емкостью 64 кбайт.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 13-5 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 13-2, 13-3 предназначены для организации 8-разрядных портов ввода/вывода сигналов логического уровня.
Они подключены к системной шине 13-6 и представляет собой параллельный разрядный регистр.
Таким образом, рассмотренное техническое решение обеспечивает бесперебойную работу коммутатора, контроль потребляемой мощности и беспроводный контроль вкл./выкл. блоков питания, обеспечивая контроль состояния и повышение общей надежности его работы в условиях изменяющегося напряжения питающей сети или его полного отсутствия.