Ethernet-коммутатор доступа нового поколения для корпоративных сетей

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к модульной, масштабируемой структуре для построения коммутаторов сетей NBASE-T Ethernet, обращающихся к общей шине распределения данных, и к методу распределения кадров в сети Ethernet в режиме "сохранить-и-переслать" (store-and-forward).
Известно 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 // Hayковi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна технiка»). - №14 (188). - с. 123-127.). Данное устройство содержит центральное процессорное устройство (ЦПУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с ЦПУ; блок питания.
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в патенте на полезную модель №182177 (Управляемый коммутатор) - прототип.
Данный коммутатор содержит центральное процессорное устройство, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, приемопередающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами центрального процессорного устройства; порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; систему питания в составе первого и второго блоков питания, блок индикации, соединенные через шину адреса и данных с центральным процессорным устройством.
Для создания высоконадежной системы питания рассматриваемого устройства предлагается дополнительно к имеющейся системе питания передавать электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet с использованием технологии РоЕ (Power over Ethernet). Известно, что данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.
РоЕ - технология подачи электропитания на клиентское устройство через витую пару стандарта Ethernet (обычно используется кабель cat.5. с разъемами RJ45). Один и тот же кабель используется и для передачи данных и для питания устройства.
Цель полезной модели - создание высоконадежной системы питания, когда наряду с резервными блоками питания используется дополнительная линия передачи питающего напряжения через стандартную витую пару в сети Ethernet с использованием технологии РоЕ.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее центральное процессорное устройство, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, приемопередающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами центрального процессорного устройства; порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; систему питания в составе первого и второго блоков питания, блок индикации, соединенные через шину адреса и данных с центральным процессорным устройством, дополнительно введен модуль Power over Ethernet (РоЕ) в составе Microcontroller Unit (MCU) и Power Sourcing Equipment controller (PSE), первый вход/выход которого соединен через шину с третим входом/выходом порта ввода/вывода информации.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием поддержки стандарта передачи данных IEEE 802.3bz (2.5GBASE-T и 5GBASE-T), а также стандарта питания Power over Ethernet IEEE 802.3bt. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что в отличии от 10GBASE-T, где передача данных со скоростью до 10 Гбит/с осуществляется по медным проводам категории 6 и выше, стандарты 2.5 GBASE-T и 5GBASE-T могут использовать для подключения устройств неэкранированный кабель «витая пара» общей длиной до 100 м категории 5Е. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, содержащая: центральное процессорное устройство (ЦПУ) 1, приемопередающие модули Ethernet (PHY) 2, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3; оперативное запоминающие устройство (ОЗУ) 4; порты ввода/вывода информации 5, блок индикации 6, систему питания 7 в составе первого и второго блоков питания, шину адреса и данных 8, модуль Power over Ethernet (РоЕ) 9, состоящий из Microcontroller Unit (MCU) 9-1 и Power Sourcing Equipment controller (PSE) 9-2.
Работа предлагаемого устройства.
Устройство коммутации сетевых пакетов Ethernet включает в свой состав:
- порты ввода/вывода 5 сигналов (фиг.1), соответствующих физическому и вышерасположенным уровням сетевой модели стандарта Ethernet, способные функционировать при подключении к сетям со скоростями 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с и поддерживающие как электрическую, так и оптическую среду передачи информации, а также порты для непосредственного локального управления коммутатором с терминала на базе персонального компьютера. На практике используется стандартный интерфейс Gigabit Ethernet передачи 1000Base-T по неэкранированной витой паре категории 5 и выше. Этот стандарт обеспечивает дуплексную передачу, причем данные по каждой паре передаются одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex). Для организации оптических портов используются SFP модули;
- ЦПУ 1 со встроенным контроллером для взаимодействия с подключенным дополнительным оборудованием, позволяющее производить аппаратную коммутацию сетевых пакетов на скорости не менее той, которую обеспечивает физическая среда передачи данных с сохранением гарантированного времени доставки пакета. Используется 24-портовый коммутатор 10/100/1000 Мбит/с Ethernet с четырьмя 1G/10G Uplinks интегрированным процессором ВСМ53346 и 16 медными приемопередающими модулями Ethernet (PHY) 2 (ВСМ54282);
- ОЗУ 4 (память RAM) и ПЗУ 3 (память ROM) для обеспечения возможности реализации сложных динамически перестраиваемых алгоритмов управления потоками сетевых пакетов, используя как аппаратные возможности классификации, модификации и коммутации пакетов, так и возможности встроенного в сетевой процессор процессора общего назначения для реализации нестандартных алгоритмов обработки сетевых пакетов. В качестве ОЗУ 4 используется модуль DDR3 512MB, а для ПЗУ 3 -SPI 64MB;
- систему питания 7 коммутатора.
- приемопередающие модули Ethernet (PHY) 2 - 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.
На практике реализация предлагаемого коммутатора может быть выполнена на базе интегральной схемы специального назначения ASIC (application-specific integrated circuit). В отличие от интегральных схем общего назначения, специализированные интегральные схемы применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства; вследствие этого выполнение функций происходит быстрее.
Современные ASIC часто содержат 32-битный или даже 64-битный процессор, иногда в количестве нескольких ядер, блоки памяти (как ПЗУ, так и ОЗУ) и другие крупные блоки. Такие ASIC называют система на кристалле SoC (System-on-a-Chip). Это позволяет получить более дешевые и простые в разработке устройства, сэкономить на компонентах, печатной плате и т.д.
Особое место в этой группе занимает модуль Power over Ethernet (РоЕ) 9 в составе Microcontroller Unit (MCU) 9-1 и Power Sourcing Equipment controller (PSE) 9-2, обеспечивающий подачу электропитания на клиентские устройства через витую пару стандарта Ethernet.
В предлагаемом решении для электроснабжения (PSE) реализован новейший стандарт IEEE 802.3bt для питания коммутаторов, шлюзов и маршрутизаторов с несколькими портами Ethernet.
Многопортовый PSE (например, Si3474 фирмы Skyworks) обеспечивает питание до четырех 4-парных портов Ethernet 802.3bt с мощностью 90 Вт на порт и поддерживает термоэффективные токоизмерительные резисторы 200 Мом. Он полностью совместим с устройствами мощностью 30 и 15 Вт. Также PSE обеспечивает питание до четырех 2-парных портов Ethernet 802.3bt с мощностью до 45 Вт на порт. Все многопортовые устройства поддерживают автономную или размещенную работу, автоматически обнаруживая устройства с допустимым питанием (PDs) и отключая питание порта при удалении подключенных PDs.
Таким образом, рассмотренное техническое решение позволяет осуществлять внедрение технологии передачи питания по стандарту РоЕ IEEE 802.3bt, предназначенного для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.