МУЛЬТИСЕРВИСНЫЙ МАРШРУТИЗАТОР
MULTI-SERVICE ROUTER

Изобретение относится к системам передачи данных и может быть использовано в модульной масштабируемой структуре для построения маршрутизаторов быстрого Ethernet и высокоскоростных сетей передачи данных.
В динамических сетях передачи сообщений важную роль в распределении потоков сообщений по направлениям и линиям связи играют маршрутизаторы и коммутаторы пакетов сообщений.
Известны различные схемы построения маршрутизаторов для сетей передачи данных, работа которых основана на различных принципах построения и включения в сети с коммутацией пакетов, влияющие на производительность и пропускную способность указанных сетей [1].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа мультисервисный маршрутизатор, описанный в патенте на полезную модель №186859 U1 от 06.02.2019 г.[2]. Этот маршрутизатор содержит маршрутный процессор, коммутационный блок, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе перепрограммируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), троичную ассоциативную память, два процессорных модуля, модуль синхронизации, два СОМ порта, два порта Ethernet и SFP модули (модули преобразования сигналов). Технический результат в известной полезной модели заключается в обеспечении непрерывного доступа к маршрутизатору и расширение его функциональных возможностей.
Основным недостатком прототипа является относительно низкая пропускная способность сети из-за значительного объема передаваемой служебной информации для обеспечения возможности коррекции маршрутно-адресной таблицы.
Целью изобретения является разработка мультисервисного маршрутизатора, обеспечивающего повышение пропускной способности сети, надежности работы и степени адаптации при ее структурных и качественных изменениях.
Поставленная цель достигается тем, что в мультисервисный маршрутизатор, содержащий маршрутный процессор, коммутационный блок, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе перепрограммируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), троичную ассоциативную память, два процессорных модуля, модуль синхронизации, два СОМ порта, два порта Ethernet и модули преобразования сигналов, дополнительно введены энергонезависимая память, блок ввода-вывода информации, блок выбора направлений, блок интерфейса и линии связи, при этом первый и второй входы-выходы маршрутного процессора подключены соответственно к входу-выходу троичной ассоциативной памяти и к первому входу-выходу коммутационного блока, вторые и третьи входы-выходы маршрутного процессора подключены соответственно к входу-выходу энергонезависимой памяти и к первым входам-выходам модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, вторые и третьи входы-выходы которого подключены соответственно к первым и вторым входам-выходам модуля синхронизации, второй вход-выход коммутационного блока соединен с первым входом-выходом первого процессорного модуля, второй и третий входы-выходы которого подключены к первым входам-выходам соответственно первого СОМ порта и первого Ethernet порта, второй вход-выход первого СОМ порта соединен с первым входом-выходом блока ввода-вывода информации, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом первого Ethernet порта, четвертый вход-выход модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС подключен к четвертому входу-выходу первого процессорного модуля, третий вход-выход коммутационного блока соединен с первым входом-выходом второго процессорного модуля, второй, третий и четвертый входы-выходы которого подключены соответственно к пятому входу-выходу модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, к входам-выходам второго СОМ порта и второго Ethernet порта, пятые входы-выходы маршрутного процессора соединены с первыми входами-выходами блока выбора направлений, вторые входы-выходы которого соединены с первыми входами-выходами модулей преобразования сигналов, вторые входы-выходы которых соединены с первыми входами-выходами блока интерфейса, ко вторым входам-выходам которого подключены линии связи, через которые осуществляется обмен данными с аналогичными маршрутизаторами.
Поставленная цель достигается также тем, что модуль синхронизации содержит антенну, GPS приемник, схему формирования сигналов синхронизации и опорный генератор, при этом высокочастотный вход-выход антенны соединен с высокочастотным входом-выходом GPS приемника, выход которого соединен со входом схемы формирования сигналов синхронизации, управляющий вход которой соединен с управляющим выходом опорного генератора, при этом выход схемы формирования сигналов синхронизации является первым входом-выходом модуля синхронизации, вторым входом-выходом которого является управляющий вход-выход опорного генератора.
Сопоставимый анализ заявляемого изобретения с прототипом показывает, что предлагаемый мультисервисный маршрутизатор отличается от прототипа наличием новых блоков: энергонезависимой памяти, блока ввода-вывода информации, блока выбора направлений, блока интерфейса и линий связи, а также изменением связей между известными блоками устройства.
Таким образом, благодаря новой совокупности признаков заявляемый мультисервисный маршрутизатор соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введенные блоки широко известны и дополнительного творчества по их реализации не требуется. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый мультисервисный маршрутизатор вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к достижению поставленной цели.
Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «существенные отличия».
Заявляемое решение явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень, а используемые в устройстве блоки широко известны в литературе, что подтверждает возможность промышленной реализации мультисервисного маршрутизатора.
На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема мультисервисного маршрутизатора, а на фиг. 2 приведена структурная схема модуля синхронизации.
Мультисервисный маршрутизатор содержит (фиг. 1) маршрутный процессор 1, троичную ассоциативную память 2, коммутационный блок 3, модуль 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, модуль 5 синхронизации, энергонезависимую память 6, первый процессорный модуль 7, первый СОМ порт 8, первый Ethernet порт 9, блок 10 ввода-вывода информации, второй процессорный модуль 11, второй СОМ порт 12, второй Ethernet порт 13, блок 14 выбора направлений, модули 15 преобразования сигналов, блок 16 интерфейса и линии 17 связи.
Первый и второй входы-выходы маршрутного процессора 1 подключены соответственно к входу-выходу троичной ассоциативной памяти 2 и к первому входу-выходу коммутационного блока 3, вторые и третьи входы-выходы маршрутного процессора 1 подключены соответственно к входу-выходу энергонезависимой памяти 6 и к первым входам-выходам модуля 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, вторые и третьи входы-выходы которого подключены соответственно к первым и вторым входам-выходам модуля 5 синхронизации. Второй вход-выход коммутационного блока 3 соединен с первым входом-выходом первого процессорного модуля 7, второй и третий входы-выходы которого подключены к первым входам-выходам соответственно первого СОМ порта 8 и первого Ethernet порта 9, второй вход-выход первого СОМ порта 8 соединен с первым входом-выходом блока 10 ввода-вывода информации, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом первого Ethernet порта 9, четвертый вход-выход модуля 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС подключен к четвертому входу-выходу первого процессорного модуля 7. Третий вход-выход коммутационного блока 3 соединен с первым входом-выходом второго процессорного модуля 11, второй, третий и четвертый входы-выходы которого подключены соответственно к пятому входу-выходу модуля 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, к входам-выходам второго СОМ порта 12 и второго Ethernet порта 13, пятые входы-выходы маршрутного процессора 1 соединены с первыми входами-выходами блока 14 выбора направлений, вторые входы-выходы которого соединены с первыми входами-выходами модулей 15 преобразования сигналов, вторые входы-выходы которых соединены с первыми входами-выходами блока 16 интерфейса, ко вторым входам-выходам которого подключены линии 17 связи, через которые осуществляется обмен данными (пакетами сообщений) с аналогичными маршрутизаторами.
Модуль 5 синхронизации (см. фиг. 2) содержит антенну 18, GPS приемник 19, схему 20 формирования сигналов синхронизации и опорный генератор 21.
Высокочастотный вход-выход антенны 18 соединен с высокочастотным входом-выходом GPS приемника 19, выход которого соединен со входом схемы 20 формирования сигналов синхронизации, управляющий вход которой соединен с управляющим выходом опорного генератора 21, при этом выход схемы 20 формирования сигналов синхронизации является первым входом-выходом модуля 5 синхронизации, вторым входом-выходом которого является управляющий вход-выход опорного генератора 21.
Маршрутный процессор 1 представляет собой специализированный процессор, спроектированный и оптимизированный для операций обработки пакетов сообщений сети передачи данных.
Маршрутный процессор 1 выполняет функции протоколов маршрутизации, обрабатывает информацию о маршрутах, а также выполняет функции управления сетью в маршрутизаторе.
Для конфигурации маршрутного процессора 1 используется шина PCI. Для пересылки служебных пакетов используется сеть Ethernet.
Троичная ассоциативная память 2 представляет собой специальную память и предназначена для хранения информации, обрабатываемой в маршрутном процессоре 1.
Коммутационный блок 3 соединяет входные порты маршрутизатора с его выходными портами. Коммутационный блок 3 представляет собой коммутатор PCI.
Модуль 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС предназначен для пересылки служебных пакетов на первый 7 и второй 11 процессорные модули.
Использование модуля 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, а также возможность реализации дополнительного функционала при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.
Модуль 5 синхронизации предназначен для надежного и непрерывного определения текущего времени и выдачи необходимых сигналов синхронизации 10 МГц и 1 Гц в модуль 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС.
Энергонезависимая память 6 предназначена для обеспечения сохранения данных, выработанных маршрутным процессором 1 при пропадании сети электропитания маршрутизатора.
В заявляемом мультисервисном маршрутизаторе используются два процессорных модуля (7 и 11), работающих в горячем резерве.
Первый 8 и второй 12 СОМ порты, первый 9 и второй 13 Ethernet порты предназначены для ввода в первый 7 и второй 11 процессорные модули программ маршрутизации пакетов данных и управляющих команд.
Блок 10 ввода-вывода информации предназначен для ввода/вывода управляющих команд при первоначальной настройке маршрутизатора, включаемого в сеть передачи данных с конкретной структурой, а также автоматического перестроения архитектуры сети при структурных ее изменениях.
Блок 14 выбора направлений содержит рандомизированную матрицу, данные для которой рассчитывают по показателям интенсивностей, распределенных на первоначальном этапе потоков пакетов сообщений по допустимым направлениям (маршрутам) сети передачи данных. При этом вероятности выбора порта в направлении определяют пропорционально интенсивности потока исходящего в направлении получателя, а значения вероятности использования источника данных определяют по формуле:
p(k,D)=s(i,k/D)/sΣ(i/D),
где: s(i,k/D) - интенсивность оптимально распределенного потока, передаваемого от источника данных узла коммутации с номером i в адрес получателя D через смежный узел k,
sΣ(i/D)=Σks(i,k/D) - суммарная интенсивность потоков, передаваемых от источника узла коммутации с номером i в адрес D.
Расчеты для таблицы маршрутизации приведены, причем в каждой строке таблицы указывают показатели интенсивности для каждого направления. Эти показатели используются для выбора физического маршрута (линии связи) для передаваемого пакета.
В таблице приведены показатели интенсивности направлений передачи в виде значения вероятности W. При этом суммарное значение вероятности W в каждой строке равняется единице.
Для примера, в указанной ниже таблице, приведены значения вероятности для четырех направлений передачи (узлов назначения), по которым передаются сообщения от источника, подключенного к одному из промежуточных узлов (ПУ1, ПУ2, ПУЗ и ПУ4).
Модули 15 преобразования сигналов совместно с блоком 16 интерфейса образуют входные и выходные порты мультисервисного маршрутизатора. При этом входной порт выполняет функции физического уровня, завершая входную физическую линию маршрутизатора. Он также осуществляет функции канального уровня, необходимые для взаимодействия с функциями канального уровня на другой стороне линии 17 связи. Еще он выполняет функции поиска и продвижения данных, так что пакет, перенаправленный в коммутационный блок 3 маршрутизатора, на выходе из него появляется из того же порта, из которого следует. Управляющие пакеты (например, пакеты, содержащие информацию протокола RIP, OSPF или BGP) продвигаются из входного порта в маршрутный процессор.
Выходной порт хранит пакеты, переправленные ему через коммутационный блок 3, а затем передает пакеты данных пользователю по выходной линии 17 связи. Выходной порт осуществляет функции физического и канального уровней, обратные функциям входного порта. В случае двунаправленной линии 17 связи (то есть когда линия связи передает данные в оба направления) выходной порт линии связи, как правило, составляет пару с входным портом этой линии, располагаясь на той же самой карте канала.
Блок 16 интерфейса содержит присоединительные элементы, к которым подключаются линии 17 связи. Он обеспечивает распределение цепей и согласование входных и выходных уровней сигналов, поступающих с линий 17 связи, с выходными и входными уровнями сигналов слотов модулей 15 преобразования сигналов.
Устройство работает следующим образом.
Известно, что маршрутизация в IP сетях представляет собой процесс пересылки пакетов данных, основанный на изучении служебной информации, находящейся в заголовке пакета, модификации части служебной информации и пересылке пакета в нужный порт. С точки зрения пакеты данных можно разделить на два типа: служебные (протоколы маршрутизации, управления, мониторинга, диагностики), предназначенные для обработки непосредственно процессорным модулем 7 (11), и транзитные пакеты, которые подвергаются процессу маршрутизации.
Основную функцию по маршрутизации пакетов данных (сообщений) в заявляемом мультисервисном маршрутизаторе выполняет маршрутный процессор 1. Маршрутный процессор 1 представляет собой специализированный процессор, спроектированный и оптимизированный для операций обработки пакетов данных. На данном процессоре в бесконечном цикле выполняется специальная программа, осуществляющая анализ содержимого пакета (заголовка пакета, а в определенных случаях и тела пакета), модификацию заголовка пакета и пересылку. При пересылке пакета через определенный порт маршрутный процессор 1 руководствуется таблицей маршрутизации. Данная таблица формируется с помощью ручной настройки маршрутов, либо с помощью динамических протоколов маршрутизации.
Для конфигурации маршрутного процессора 1 используется шина PCI. Для пересылки служебных пакетов используется сеть Ethernet.
Настоящий мультисервисный маршрутизатор содержит два процессорных модуля (7 и 11), работающих в горячем резерве. Для коммутации управляющих сигналов от активного, например, первого 7 процессорного модуля к маршрутному процессору 1 используется коммутационный блок 3. Для пересылки служебных пакетов на оба (7 и 11) процессорных модуля используется модуль 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС.
Для ускорения процесса поиска в таблице маршрутизации используется специальная память, так называемая троичная ассоциативная память 2.
При загрузке устройства процессорный модуль 7 связывается с соседними устройствами по протоколам динамической маршрутизации, при этом формируется таблица маршрутизации. После того, как таблица маршрутизации сформирована, процессорный модуль 7 преобразовывает данную информацию для хранения в троичной ассоциативной памяти 2 и энергонезависимой памяти 6.
В качестве портов ввода-вывода выступают слоты модулей 15 преобразования сигналов. Модули 15 осуществляют конвертацию сигналов, полученных с линий 17 связи (медных или оптических), в формат, пригодный для обработки маршрутным процессором 1.
При поступлении пакета данных от модуля 15 маршрутный процессор 1 анализирует заголовок пакета. При этом служебные пакеты перенаправляются на процессорный модуль 7 (или 11), для транзитных пакетов осуществляется поиск соответствия в таблице маршрутизации, хранящейся в упрощенном виде в троичной ассоциативной памяти 2 и в энергонезависимой памяти 6. После этого осуществляется пересылка транзитного пакета через соответствующий порт.
Для первичной конфигурации или прямого управления мультисервисным маршрутизатором предусмотрены последовательные СОМ порты 8 (12) и порты Ethernet 9 (13), подключенные напрямую к процессорным модулям 7 (11). Через указанные порты поступают управляющие команды с блока 10 ввода-вывода информации.
Использование модуля 4 высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС, энергонезависимой памяти 6, блока 10 ввода-вывода информации, блока 14 выбора направлений и блока 16 интерфейса дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, обеспечивает надежность работы устройства при пропадании сети электропитания маршрутизатора или отказа в работе одного из процессорных модулей (7 или 11), а также возможность реализации функциональных возможностей маршрутизатора при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.
Технический эффект от предлагаемого изобретения заключается в повышении пропускной способности и надежности работы маршрутизатора в различных условиях, включая выход из строя отдельных элементов устройства и прекращение внешнего электропитания, в обеспечении непрерывного доступа к маршрутизатору и расширении его функциональных возможностей, достигаемый за счет введения новых элементов, которые в совокупности с другими элементами устройства обеспечивают получение необходимого эффекта, а также за счет непрерывной подстройки точности сигнала синхронизации как по частоте, так и по фазе, что является очень важным для цифровых сетей передачи данных.
Источники информации.
1. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. - Издательство «Питер», 2000.
2. RU, патент на полезную модель №186859 U1, МПК H04L 12/701, H04L 12/54, Бюл. №27 от 27.09.2019 г.(прототип).